WO2017013073A1 - Substrat für elektrische schaltkreise und verfahren zur herstellung eines derartigen substrates - Google Patents

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Andreas Meyer
Karsten Schmidt
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    • H05K2203/11—Treatments characterised by their effect, e.g. heating, cooling, roughening
    • H05K2203/1126—Firing, i.e. heating a powder or paste above the melting temperature of at least one of its constituents

Definitions

  • Substrates The invention relates to a substrate for electrical circuits and to a method for producing such a substrate.
  • such substrates are of multilayer construction and have at least one insulating layer and at least one connected to this insulating layer
  • the metal layer or metallization is flat with the insulation layer either directly or possibly via additional metal or
  • Insulation layers connected and is structured to form interconnects, contacts, contact and / or pads in several Metalltechnisches vomabête.
  • Insulation resistance i. Have voltage and dielectric strength.
  • metal-ceramic substrates are often used whose insulation layer is characterized by at least one high
  • the ceramic layer is made of, for example, an oxide, nitride or carbide ceramic such as alumina (Al 2 O 3) or aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (Si 3 N 4) or silicon carbide (SiC) or alumina with zirconia (Al 2 O 3 + ZrO 2).
  • oxide, nitride or carbide ceramic such as alumina (Al 2 O 3) or aluminum nitride (AlN) or silicon nitride (Si 3 N 4) or silicon carbide (SiC) or alumina with zirconia (Al 2 O 3 + ZrO 2).
  • the paper structure in the paper structure up to 85 wt .-% is enriched with functional fillers, for example with a sinterable ceramic powder, highly adsorptive powder or powder with good thermal conductivity.
  • a sinterable ceramic powder such as alumina powder preceramic paper is optionally after another
  • the present invention seeks to provide a substrate for electrical circuits and an associated method for producing such a substrate, which is simple and inexpensive compared to the known manufacturing processes.
  • the object is achieved by a substrate according to the patent claim 1 and a method according to the patent claim 1 5.
  • the essential aspect of the substrate according to the invention for electrical circuits is to be seen in that at least one first produced by roll-plating Composite layer is provided, which after the roll cladding at least one
  • Copper layer and an adjoining aluminum layer has. At least the side of the aluminum layer facing away from the copper layer is anodised to produce an anodization layer made of aluminum oxide, and the anodization layer or insulating layer made of aluminum oxide is at least one anodized
  • Adhesive layer is connected to a metal layer or at least a second composite layer or a paper ceramic layer.
  • the roll-laminated composite layer is fast, easy and inexpensive to produce and advantageous as a roll or
  • the layer thickness can be selected depending on the required insulation properties.
  • the metal layer can assume a cooling function and a corresponding material thickness and / or
  • Insulation resistance in particular the voltage and dielectric strength are further increased.
  • Insulation resistance in particular the voltage and dielectric strength are further increased.
  • the second composite layer also has an anodizing or
  • Insulation layer on and the anodization of the first and second composite layer are connected to each other via the at least one adhesive layer, i. There is a direct connection between the two composite layers via at least one adhesive layer.
  • first and second composite layers are connected to each other via at least one further intermediate layer by means of an adhesive layer in each case.
  • the intermediate layer is formed in one embodiment by an aluminum layer, which is used to produce two opposite Eloxal- or
  • Insulation layers of aluminum oxide at their opposite
  • the intermediate layer can be formed by a third composite layer comprising an aluminum layer, a copper layer and a further aluminum layer, wherein in each case the surface side of the aluminum layers facing away from the copper layer is used to produce two opposing anodized or
  • Insulating layers of aluminum oxide are anodized.
  • the anodization or insulating layers made of aluminum oxide of the first composite layer is preferably via an adhesive layer with the one anodization or insulating layers of aluminum oxide of the respective intermediate layer and the anodized or
  • Insulation layers of aluminum oxide of the second composite layer connected via a further adhesive layer with the other anodization or insulating layers of aluminum oxide of the respective intermediate layer. Due to the described construction of the intermediate layers, improved heat spreading and dissipation as well as improved insulation resistance can be achieved.
  • the respective aluminum layer is led to anodized over part of its layer thickness, or the layer thickness of the insulation layer produced from the at least partially converted aluminum layer is between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m.
  • At least one aluminum layer of the substrate can be completely anodized and thus the aluminum layer can be completely converted into the anodized or insulating layer of aluminum oxide.
  • an anodic coating is advantageous since contamination of the etching bath for introducing structuring into the copper layer through the aluminum layers can be avoided.
  • the copper layer has a layer thickness of between 35 ⁇ m and 2 mm
  • the aluminum layer has a layer thickness of between 10 ⁇ m and 300 ⁇ m and the
  • Metal l stands a layer thickness between 300 vm and 50 mm.
  • At least one aluminum layer has a profiling introduced before the anodization process is carried out, which, for example, has a multiplicity of pyramid-shaped or prism-shaped recesses includes.
  • a profiling introduced before the anodization process is carried out which, for example, has a multiplicity of pyramid-shaped or prism-shaped recesses includes.
  • an adhesive layer which is made of an epoxy resin adhesive, acrylic adhesive or polyurethane adhesive.
  • the adhesive used to make the adhesive layer has an advantageous
  • At least one of the copper layers for forming printed conductors, contact surfaces and / or connection surfaces is structured in a plurality of metallization sections.
  • the copper layer of the composite layer is patterned and forms the layout side of the substrate.
  • structuring of the two metallizations of the substrate can also be carried out.
  • the invention likewise provides a process for producing a substrate for electrical circuits, in which at least one first composite layer is produced from a copper foil and at least one aluminum foil by means of roll cladding, the at least one copper layer and an adjoining one
  • An aluminum layer in which at least the copper layer facing away from the surface side of the aluminum layer is anodized and thereby an anodic or insulating layer of aluminum oxide is produced, wherein the produced anodization or insulating layer of aluminum oxide over at least one adhesive layer with a metal layer or at least a second composite layer is glued.
  • Fig. 1 is a simplified schematic sectional view through a
  • inventive substrate comprising a first composite layer and a metal layer
  • Fig. 2 is a simplified sectional view through an alternative
  • Embodiment of a substrate according to the invention comprising a first and second composite layer
  • Fig. 3 is a simplified sectional view through a further alternative
  • Embodiment of a substrate according to the invention comprising a first and second composite layer with an intermediate layer
  • Fig. 4 is a simplified sectional view through a turn alternative
  • Embodiment of a substrate according to the invention comprising a first to third composite layer
  • Fig. 5 is a simplified sectional view through a further alternative
  • Embodiment of a substrate according to the invention comprising a first and second composite layer, each having a profiled insulation layer, a simplified schematic sectional view through a
  • FIG. 7 is a simplified schematic sectional view through a substrate according to FIG. 6 with a differently constructed composite layer and a solder connection to the paper-ceramic layer and FIG
  • FIG. 8 is a schematic sectional view through an eloxal bath for anodising the aluminum layer or aluminum alloy layer of a roll-bonded composite layer.
  • Figure 1 shows in a simplified schematic representation a section through an inventively designed substrate 1 for electrical circuits, which has a plate-shaped and multilayer structure, i. in the form of a
  • Printed circuit board is formed.
  • the substrate 1 according to the invention consists in a first embodiment of at least one first composite layer 2, which is produced by roll-plating a Kupferfol with at least one aluminum foil. Accordingly, the first composite layer 2 has a copper layer 3 and an adjoining one
  • the aluminum layer 4 is made to produce an insulating layer 5
  • Anodized alumina namely, the insulating layer 5 extends
  • Aluminum layer 4, ie a part of the aluminum layer 4 of the first composite layer 2 is subjected to an anodization process known per se, namely an anodic oxidation, and thereby converted into an insulation layer 5 of aluminum oxide or anodized layer.
  • the insulating layer 5 of alumina has a high voltage and dielectric strength and a thermal conductivity between 8 W / mK and 30 W / mK.
  • the insulating layer 5 of the inventively embodied substrate 1 is connected via an adhesive layer 6, for example, with a metal ltik 7 or glued.
  • the adhesive layer 6 preferably extends completely over the surface of the insulating layer 5.
  • the metal layer 7 may be formed, for example, by a further aluminum layer or an aluminum plate for cooling purposes.
  • the metal ltik 7 forms in a preferred embodiment of a heat sink and can on the opposite side of the adhesive layer 6 have a profile ization for increasing the surface, the most varied shape, especially in H inblick on shape, arrangement and depth of existing
  • Recesses may be formed.
  • Adhesives or adhesives of low viscosity are preferably used in order to fill the porous surface of the produced anodized layer or insulation layer 5 made of aluminum oxide and thus to further increase the insulation resistance of the substrate 1.
  • the copper layer 3 has within the first composite layer 1 a layer thickness d 1 between 35 / vm and 2 mm and the aluminum layer 4 a layer thickness d2 between 1 0 ⁇ and 300 ⁇ , wherein the layer thickness d3 of the at least partially converted aluminum layer 4 hergestel Leten insulation layer 5 is between 5 ⁇ and 50 ⁇ .
  • the aluminum layer 4 may also be completely anodized, ie, the completely anodized aluminum layer 4 forms the insulating layer 5.
  • the adhesive layer 6 preferably has a layer thickness d4 between 1 ⁇ and 20 on.
  • the layer thickness d5 of the metal ltik 7 is between 300 ⁇ and 50 mm.
  • the substrate 1 serves as printed circuit boards for electrical or electronic circuits or circuit modules, in particular for electronic power circuits.
  • the copper layer 3 of the first composite layer 1 is structured by means of masking and etching technologies known per se into a plurality of metalization sections which form, for example, printed conductors, contact surfaces and / or terminal surfaces.
  • the structuring of the copper layer 3 of the first is preferably carried out Composite layer 1 after the manufacture ment of the substrate. 1 Due to the very thin anodized or insulating layer 5 is preferably only one of
  • Composite layer 2 structured in order to ensure sufficient stability of the substrate 1 administratzustel len. In a corresponding stability enhancing intermediate layer, however, is also a structuring of both metal lations of the substrate 1,
  • the metal ltik 7 I like.
  • the structuring of the copper layer 3 of the first composite layer 2 is preferably up to the anodized layer or
  • Insulation layer 5 made of aluminum oxide.
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment of the substrate 1 according to Figure 1, in which instead of the metal layer 7, a second composite layer 2 'on the
  • Adhesive layer 6 is connected to the first composite layer 2.
  • the first and second composite layers 2, 2 ' have a similar, preferably identical construction, i. the second composite layer 2 'also comprises a copper layer 3', an adjoining aluminum layer 4 ', which is at least partially converted into an insulating layer 5' of aluminum oxide or anodized layer by means of anodizing on its surface opposite the copper layer 3 '.
  • the connected with each other is connected with each other
  • Insulating layers 5, 5 ' are, for example, directly connected to one another via the adhesive layer 6. By providing two insulation layers 5, 5 ', the insulation strength of the substrate 1 increases further.
  • first and second composite layers 2, 2 'are produced preferably from the same roll-plated composite material layer, and then an adhesive layer 6 is applied to at least one of the insulation layers 5, 5', preferably both insulation layers 5, 5 ', the composite layers thus prepared 2, 2 'are then brought together and glued or laminated together.
  • the adhesive or adhesive of the adhesive layer 6 is subsequently cured, for example by appropriate application of pressure and / or temperature.
  • structured substrate 1 can still be performed an edge seal, but this is not mandatory. Also, a preparation of the substrates 1 according to the invention in the form of
  • Metal layer 7 different from the prior art preferably also up to the edge of the cut edge of the respective substrate. 1
  • FIG. 3 shows a further alternative embodiment variant of a substrate 1 according to the invention, in which a further aluminum layer 4 "is arranged to further increase the stress and breakdown strength between the first and second composite layers 2, 2 'according to the embodiment of FIG Top and bottom to produce an insulating layer 5 "of alumina are each anodized.
  • a further aluminum layer 4 " is arranged to further increase the stress and breakdown strength between the first and second composite layers 2, 2 'according to the embodiment of FIG Top and bottom to produce an insulating layer 5 "of alumina are each anodized.
  • the insulation layer or insulation layers 5 '' are connected to the insulation layers 5, 5 'of the first and second composite layers 2, 2' via an adhesive layer 6, 6.
  • a third composite layer 2 "' consisting of a central copper layer 3" whose top and bottom is provided with an aluminum layer 4 ", 4" ', wherein the respective aluminum layer 4 ", 4" 'analogous to the aforementioned embodiments each have an insulating layer 5'.
  • the connection of the insulation layers 5, 5 ', 5 “of the first to third composite layer 2, 2', 2" takes place in turn via one in each case
  • Adhesive layer 6, 6 ' Adhesive layer 6, 6 '.
  • the copper layer 3 can also be used electrically and structured, for example, into a plurality of metallization sections be. It is understood that several central copper layers 3 "can be provided.
  • an aluminum layer 4, 4 'with an increased layer thickness d2 between 0.1 mm and 1 mm is used here.
  • Aluminum foil produced preferably in the form of a band.
  • the described composite layers 2, 2 ', 2 can be manufactured as plate goods, so that the plate-rolled, but not yet anodized composite layers 2, 2', 2" can advantageously be either as a strip on a roll or in sheet form be provided for the further manufacturing process.
  • Composite layer 2, 2 ', 2 " is preferably carried out in a continuous installation or in a corresponding immersion basin. 2 'connected by applying the adhesive layer 6, 6' either with each other or with the metal layer 7. Before or after complete curing of the
  • Adhesive layer 6, 6 ' takes place a cutting of the tape or plate goods and subsequent drying.
  • the dried individual layers or plates, which may each be formed as multiple substrates, are subsequently masked and etched by means of known masking and etching technologies and thereby a predetermined structuring of at least one of the copper layers 3, 3 'is carried out.
  • the insulation strength of the substrate 10 is further increased by the fact that instead of the metal layer 7, a paper-ceramic layer 11 is used.
  • the substrate 10 has a composite layer 12 with a metal layer 1 3 and at least one aluminum layer 14.
  • Composite layer 12 is therefore also at least partially anodized, so that an anodized layer 1 5 is formed, which in turn is connected via an adhesive layer 16 with the paper ceramic layer 1 1.
  • the anodizing layer 15 serves here
  • a paper-ceramic layer 1 1 is understood as meaning a paper structure enriched in papermaking with a sinterable ceramic powder, preferably alumina powder, from which a preceramic paper structure is produced.
  • the proportion of the sinterable ceramic powder in the total volume of the preceramic paper structure is preferably between 80 and 90% by weight.
  • the preceramic paper structure is subjected to a two-stage thermal conversion process and in the first stage from the preceramic
  • Paper structure ("Green ing") initially produces a “Braunl ing", in which the organic components of the preceramic paper structure, such as Zel material, starch and latex are oxidatively removed. Subsequently, in the second stage, the "browning" is fed to a sintering process, whereby a ceramic material, namely the paper ceramics with the typical material properties of a ceramic material is formed, such as a high bending and insulation strength
  • paper-ceramic layer 11 is compared to a conventional one
  • the paper-ceramic layer 1 1 used according to the invention has, for example, a layer thickness d6 of between 50 and 600 ⁇ m, preferably 80 ⁇ m and 1 50 ⁇ m, and has an E-modulus between 90 ⁇ Pa and 1 50 ⁇ Pa.
  • the structuring of the metal ltik 1 3 again takes place by means of per se known masking and etching technologies, preferably after manufacture ment of
  • a composite layer 12 ' is used, which in addition to the copper layer 1 3 and the aluminum layer 14 a thereto
  • aluminum-silicon layer 18, which is also manufactured by roll-plating, and that is preferably initially a composite of the
  • Aluminum layer 1 4 an adjoining aluminum-silicon layer 1 8 produced by roller cladding and this composite again with the copper layer 1 third
  • the aluminum-silicon layer 1 8 of the composite layer 1 2 ' is connected to the paper-ceramic layer 1 1 via a solder layer 1 9.
  • An appropriately designed substrate 10 is schematically illustrated, for example, in FIG. 7.
  • the soldering of the paper oxide layer 1 1 made of aluminum oxide is carried out under protective gas, for example N 2 or AR, and using the aluminum silicon eutectic.
  • cracks are also poured out in the insulating layers 5, 5 'when a low-viscosity adhesive is used, for example, by the composite layer 2, 2' being heated accordingly, but below that
  • Temperature increase can be done stepwise or continuously over a given period.
  • a step-like temperature increase can be done stepwise or continuously over a given period.
  • Binder The curing temperatures of common adhesives are included
  • Nanofibers be enriched.
  • the composite layers 2, 2 'produced by roll cladding have a significantly thinner aluminum layer 4, 4', 4 "compared to the copper layers 3, 3 ', and the layer thickness d2 of the aluminum layer 4, 4', 4" is less than half the layer thickness d1 of the copper layers 3, 3 ', preferably even less than one third of the layer thickness d1 of the copper layers 3, 3'.
  • the adhesive bond between the different composite layers or layers can be carried out after applying the adhesive in the composite by means of lamination or rolling in order to keep the thickness d4 of the adhesive layer 6 low.
  • the substrates 1 can be subjected to a vacuum after the application of the adhesive to any gas influences present in the anodization layer or insulation layer 5 made of aluminum oxide, which causes an increase and thus deterioration of the
  • Insulation resistance contribute to be able to remove.
  • the respective adhesive layer 6, 6 ', 6 has at least two different adhesives, which are preferably applied one behind the other in a layer-like manner
  • the epoxy can be processed at a higher temperature compared to the epoxy adhesive to reduce its viscosity. Also can excess
  • the hardener portion of the epoxy adhesive also diffuses into the pure, already processed epoxide in the filled defects and also hardens them with.
  • FIG. 8 shows, by way of a schematic drawing, a corresponding eloxal bath 20 with a cathode 22 and the anode formed by the copper layer or copper alloy layer 23, against which a DC voltage U is applied.
  • the inventors have recognized that the occurrence of such a short circuit can be counteracted by complete masking or covering of the surfaces of the copper layers 23 by a frame-shaped cover element, ie the contact of the electrolyte 21 with the copper layers 23 is effectively prevented, whereas that for the Anodizing required contact with the aluminum layer 24 is still given.
  • the masking can be done in an alternative embodiment by applying a protective film or a protective lacquer or a combination thereof. Common to each of these methods is the sealing effect against the electrolyte 1 1.
  • auxiliary electrodes 26 for example metallic sheets or components, which may be provided with a corresponding coating and which is resistant to the chemical components of the Eloxalbades 20 used and the present electric fields.
  • the auxiliary electrodes 26 are electrically connected to the anode, so that the Geleichschreib U or the resulting electric field between the auxiliary electrode 26 and the surface of the
  • Copper layer 23 of the composite layer 25 is zero. This is no
  • Aluminum alloy layer 24 of the composite layer 25 received therein is greater than 0mm but less than 10mm, preferably between 0 and 1mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Substrat (1) für elektrische Schaltkreise umfassend zumindest eine mittels Walzplattieren hergestellte erste Verbundschicht (2), die nach dem Walzplattieren zumindest eine Kupferschicht (3) und eine daran anschließende Aluminiumschicht (4) aufweist, bei dem zumindest die von Kupferschicht (3) abgewandten Oberflächenseite der Aluminiumschicht (4) zur Erzeugung einer Eloxal- bzw. Isolationsschicht (5) aus Aluminiumoxid eloxiert ist, und bei dem die Eloxal- bzw. Isolationsschicht (5) aus Aluminiumoxid über zumindest eine Klebstoffschicht (6, 6') mit einer Metallschicht (7) oder zumindest einer zweiten Verbundschicht (2') oder zumindest einer Papierkeramikschicht (11) verbunden ist.

Description

Substrat für elektrische Schaltkreise und Verfahren zur Herstellung eines derartigen
Substrates Die Erfindung betrifft ein Substrat für elektrische Schaltkreise sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Substrates.
Substrate für elektrische Schaltkreise in Form von Leiterplatten sind hinlänglich bekannt.
Derartige Substrate sind hierzu mehrschichtig ausgebildet und weisen zumindest eine Isolationsschicht und zumindest eine mit dieser Isolationsschicht verbundene
Metallschicht oder Metallisierung auf. Die Metallschicht oder Metallisierung ist flächig mit der Isolationsschicht entweder direkt oder ggf. über weitere Metall- oder
Isolationsschichten verbunden und ist zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakten, Kontakt- und/oder Anschlussflächen in mehrere Metallisierungsflächenabschnitte strukturiert.
Insbesondere bei Verwendung derartiger Substrate im Bereich der Leistungselektronik, und zwar so genannte„low voltage"-Anwendungen, beispielsweise zum Aufbau von Leistungshalbleiter-Modulen in einem Spannungsbereich von kleiner 2,5 kV, ist es erforderlich, dass die Substrate bzw. die Isolationsschicht eine hohe
Isolationsfestigkeit, d.h. Spannungs- und Durchschlagfestigkeit aufweisen. Im Bereich der Leistungselektronik kommen daher häufig Metall-Keramik-Substrate zum Einsatz, deren Isolationsschicht durch zumindest eine eine hohe
Isolationsfestigkeit aufweisende Keramikschicht gebildet ist. Die Keramikschicht ist beispielsweise aus einer Oxid-, Nitrid- oder Karbidkeramik wie Aluminiumoxid (AI2O3) oder Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) oder Siliziumkarbid (SiC) oder aus Aluminiumoxid mit Zirkonoxid (Al2O3 + ZrO2) hergestellt.
Zur flächigen Verbindung der Keramikschicht mit zumindest einer eine Metallisierung bildenden Metallschicht finden abhängig vom verwendeten Keramikmaterial und/oder dem zu bondenden Metall der Metallschicht unterschiedliche, an sich bekannte Herstellungsverfahren Verwendung, und zwar beispielsweise ein„Direct-Copper- Bonding"-Verfahren, ein„Direct-Aluminium-Bonding"-Verfahren und ein„Active- Metal-Bonding"-Verfahren. Nachteilig sind derartige Herstellungsverfahren
prozesstechnisch aufwendig und kosten intensiv. Auch ist bei der Verwendung von herkömmlichen Keramikschichten die Formgebung eingeschränkt.
Ferner sind Verfahren zur Herstellung von hochgefüllten Papieren bekannt, bei denen beim Papierherstellungsprozess das Papiergefüge bis zu 85 Gew.-% mit funktionalen Füllstoffen angereichert wird, beispielsweise mit einem sinterfähigen keramischen Pulver, hoch adsorptiven Pulver oder Pulver mit guter Wärmeleitfähigkeit. Aus dem mit einem sinterfähigen keramischen Pulver, beispielsweise Aluminiumoxid-Pulver angereicherten präkeramischen Papier wird ggf. nach einem weiterer
Verformungsprozess durch thermische Umsetzung, u.a. Durchführung einer zweistufigen thermischen Umsetzung ein so genanntes Sinterpapier bzw. eine Papierkeramik hergestellt. Im Rahmen der ersten Stufe der thermischen Umsetzung werden die organischen Komponenten der präkeramischen Papiere, beispielsweise Zellstoff, Stärke und Latex oxidativ entfernt, wodurch ein so genannter„Braunling" entsteht. Anschließend wird in einer zweiten Stufe der thermischen Umsetzung der „Braunling" gesintert und es entsteht ein keramischer Werkstoff mit der typischen Biegefestigkeit einer Keramik. Die Mikrostruktur dieses Sinterpapiers bzw. der Papierkeramik zeigt u.a. die für Keramiken typische Materialeigenschaften, beispielsweise auch eine hohe Isolationsfestigkeit. Bei derartigen Papierkeramiken können die Vorteile von keramischen Materialien mit den papiertechnischen
Vorteilen, beispielsweise der einfachen Verformung und des geringen Gewichts miteinander verbunden werden.
Ausgehend vom voranstehend genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Substrat für elektrische Schaltkreise sowie ein zugehöriges Verfahren zur Herstellung eines derartigen Substrates aufzuzeigen, welches im Vergleich zu den bekannten Herstellungsverfahren einfach und kostengünstig ist. Die Aufgabe wird durch ein Substrat gemäß dem Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß den Patentanspruch 1 5 gelöst.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Substrates für elektrische Schaltkreise ist darin zu sehen, dass zumindest eine mittels Walzplattieren hergestellte erste Verbundschicht vorgesehen ist, die nach dem Walzplattieren zumindest eine
Kupferschicht und eine daran anschließende Aluminiumschicht aufweist. Zumindest die von Kupferschicht abgewandten Oberflächenseite der Aluminiumschicht ist zur Erzeugung einer Eloxal- bzw. Isolationsschicht aus Aluminiumoxid eloxiert und die Eloxal- bzw. Isolationsschicht aus Aluminiumoxid über zumindest eine
Klebstoffschicht mit einer Metallschicht oder zumindest einer zweiten Verbundschicht oder einer Papierkeramikschicht verbunden ist. Die walzplattierte Verbundschicht ist schnell, einfach und kostengünstig herstellbar und vorteilhaft als Rollen- oder
Plattenware hergestellt und in den Folgeprozessen verarbeitet werden. Die
erforderliche Isolationsfestigkeit des Substrates wird durch die Erzeugung einer Isolationsschicht aus Aluminiumoxid durch entsprechendes Oxidieren der
Aluminiumschicht erreicht, deren Schichtdicke abhängig von den erforderlichen Isolationseigenschaften gewählt sein kann. Hierbei kann die Metallschicht eine Kühlfunktion übernehmen und eine entsprechende Materialstärke und/oder
Oberflächenvergrößerung aufweisen. Bei Verwendung einer zweiten Verbundschicht, die vorzugsweise analog zur ersten Verbundschicht aufgebaut ist, kann die
Isolationsfestigkeit, insbesondere die Spannungs- und Durchschlagfestigkeit noch weiter erhöht werden. Alternativ kann durch die Verwendung einer
Papierkeramikschicht die Isolationsfestigkeit ebenfalls verbessert werden.
Vorteilhaft weist die zweite Verbundschicht ebenfalls eine Eloxal- bzw.
Isolationsschicht auf und die Eloxal- bzw. Isolationsschichten der ersten und zweiten Verbundschicht sind über die zumindest eine Klebstoffschicht miteinander verbunden, d.h. es besteht eine direkte Verbindung zwischen den beiden Verbundschichten über zumindest eine Klebstoffschicht.
Alternativ sind die erste und zweite Verbundschicht über zumindest eine weitere Zwischenschicht mittels jeweils einer Klebstoffschicht miteinander verbunden.
Die Zwischenschicht ist in einer Ausführungsvariante durch eine Aluminiumschicht gebildet, die zur Erzeugung zweier gegenüberliegender Eloxal- bzw.
Isolationsschichten aus Aluminiumoxid an ihren einander gegenüberliegenden
Oberflächenseiten eloxiert ist. Alternativ kann die Zwischenschicht durch eine dritte Verbundschicht umfassend eine Aluminiumschicht, eine Kupferschicht und eine weitere Aluminiumschicht gebildet sein, wobei jeweils die von der Kupferschicht abgewandten Oberflächenseite der Aluminiumschichten zur Erzeugung zweier gegenüberl iegender Eloxal- bzw.
Isolationsschichten aus Aluminiumoxid eloxiert sind.
Die Eloxal- bzw. Isolationsschichten aus Aluminiumoxid der ersten Verbundschicht ist vorzugsweise über eine Klebstoffschicht mit der einen Eloxal- bzw. Isolationsschichten aus Aluminiumoxid der jeweil igen Zwischenschicht und die Eloxal- bzw.
Isolationsschichten aus Aluminiumoxid der zweiten Verbundschicht über eine weitere Klebstoffschicht mit der anderen Eloxal- bzw. Isolationsschichten aus Aluminiumoxid der jeweil igen Zwischenschicht verbunden. Durch den beschriebenen Aufbau der Zwischenschichten kann eine verbesserte Wärmespreizung und -ableitung sowie eine verbesserte Isolationsfestigkeit erzielt werden.
In einer Ausführungsvariante ist die jeweil ige Aluminiumschicht ledigl ich über einen Teil ihrer Schichtdicke eloxiert bzw. die Schichtdicke der aus der zumindest teilweise umgewandelten Aluminiumschicht hergestel lten Isolationsschicht beträgt zwischen 5 /vm und 50 vm.
Alternativ kann zumindest eine Aluminiumschicht des Substrates vol lständig eloxiert sein und damit die Aluminiumschicht vollständig in die Eloxal- bzw. Isolationsschicht aus Aluminiumoxid umgewandelt sein. Insbesondere bei Aluminiumschichten geringer Schichtdicke ist eine vol lständige U mwandlung eine Eloxalschicht vorteilhaft, da eine Verunreinigung des Ätzbades zur Einbringung einer Strukturierung in die Kupferschicht durch die Aluminiumschichten vermieden werden kann.
Vorteilhaft weist d ie Kupferschicht eine Schichtdicke zwischen 35 μνη und 2 mm, die Aluminiumschicht eine Schichtdicke zwischen 1 0 /vm und 300 μνη und die
Metal lschicht eine Schichtdicke zwischen 300 vm und 50 mm auf.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung weist zumindest eine Aluminiumschicht eine vor der Durchführung des Eloxal-Verfahrens eingebrachte Profilierung auf, die beispielsweise eine Vielzahl von pyramiden- oder prismenförmigen Ausnehmungen umfasst. Hierdurch wird die Oberfläche der im Nachgang erzeugten Eloxal- bzw. Isolationsschicht vergrößert und damit die Haftkraft der Klebeverbindung sowie die Wärmeleitfähigkeit des Substrates verbessert. Bei direkter Verbindung zweier
Verbundschichten über eine Klebstoffschicht sind die Profilierungen der jeweiligen Aluminiumschichten aneinander angepasst, und zwar derart, dass diese ineinander verzahnen.
Vorteilhaft findet eine Klebstoffschicht Verwendung, die aus einem Epoxidharz- Klebstoff, Acryl-Klebstoff oder Polyurethan-Klebstoff hergestellt ist. Der zur Herstellung der Klebstoffschicht verwendete Klebstoff weist in einer vorteilhaften
Ausführungsvariante eine niedrige Viskosität auf, um in ggf. vorhanden Risse in den Oberflächen der Isolationsschichten eindringen und dies ausfüllen zu können. Damit werden Einschlüsse im Substrat, insbesondere im Verbindungsbereich vermieden, die zu einer Verschlechterung der Isolationsfestigkeit führen würden.
Vorteilhaft ist zumindest eine der Kupferschichten zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Anschlussflächen in mehrere Metallisierungsabschnitte strukturiert. Vorzugsweise wird die Kupferschicht der Verbundschicht strukturiert und bildet die Layoutseite des Substrats aus. Bei entsprechender Dicke des Substrates, insbesondere Verwendung zweier Verbundschichten und ggf. einer weiteren Zwischenschicht kann auch eine Strukturierung beider Metallisierungen des Substrates durchgeführt werden.
Ebenfalls ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Substrates für elektrische Schaltkreise, bei dem aus einer Kupferfolie und zumindest einer Aluminiumfolie mittels Walzplattieren zumindest eine erste Verbundschicht hergestellt wird, die zumindest eine Kupferschicht und eine daran anschließende
Aluminiumschicht aufweist, bei dem zumindest die von Kupferschicht abgewandten Oberflächenseite der Aluminiumschicht eloxiert wird und dadurch eine Eloxal- bzw. Isolationsschicht aus Aluminiumoxid erzeugt wird, wobei die erzeugte Eloxal- bzw. Isolationsschicht aus Aluminiumoxid über zumindest eine Klebstoffschicht mit einer Metallschicht oder zumindest einer zweiten Verbundschicht verklebt wird.
Die Ausdrucke„näherungsweise",„im Wesentlichen" oder„etwa" bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden
Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren
Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung durch ein
erfindungsgemäßes Substrat umfassend eine erste Verbundschicht und eine Metallschicht,
Fig. 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine alternative
Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Substrates umfassend eine erste und zweite Verbundschicht,
Fig. 3 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine weitere alternative
Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Substrates umfassend eine erste und zweite Verbundschicht mit einer Zwischenschicht,
Fig. 4 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine wiederum alternative
Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Substrates umfassend eine erste bis dritte Verbundschicht,
Fig. 5 eine vereinfachte Schnittdarstellung durch eine weitere alternative
Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Substrates umfassend eine erste und zweite Verbundschicht mit jeweils profilierter Isolationsschicht, eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung durch ein
erfindungsgemäßes Substrat mit einer Papierkeramikschicht,
Fig. 7 eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung durch ein Substrat gemäß Fig. 6 mit einer unterschiedlich aufgebauten Verbundschicht und einer Lotverbindung zur Papierkeramikschicht und
Fig. 8 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Eloxalbad zum Eloxieren der Aluminiumschicht bzw. Aluminiumlegierungsschicht einer walzplattierten Verbundschicht.
Figur 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Substrat 1 für elektrische Schaltkreise, welches einen plattenförmigen und mehrschichten Aufbau aufweist, d.h. in der Form einer
Leiterplatte ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Substrat 1 besteht in einer ersten Ausführungsvariante aus zumindest einer ersten Verbundschicht 2, die durch Walzplattieren einer Kupferfol mit zumindest einer Aluminiumfolie hergestellt ist. Demgemäß weist die erste Verbundschicht 2 eine Kupferschicht 3 und eine daran anschließende
Aluminiumschicht 4 auf.
Die Aluminiumschicht 4 ist zur Erzeugung einer Isolationsschicht 5 aus
Aluminiumoxid eloxiert, und zwar erstreckt sich die Isolationsschicht 5 aus
Aluminiumoxid bzw. Eloxalschicht von der von der Kupferschicht 3 abgewandten Oberflächenseite der Aluminiumschicht 4 über zumindest einen Teil der
Aluminiumschicht 4, d.h. ein Teil der Aluminiumschicht 4 der ersten Verbundschicht 2 wird einem an sich bekannten Eloxal-Verfahren, und zwar einer anodischen Oxidation unterzogen und dadurch in eine Isolationsschicht 5 aus Aluminiumoxid bzw. Eloxalschicht umgewandelt. Die Isolationsschicht 5 aus Aluminiumoxid weist eine hohe Spannungs- und Durchschlagfestigkeit und eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 8 W/mK und 30 W/mK auf. Die Isolationsschicht 5 des erfindungsgemäß ausgebildeten Substrates 1 ist über eine Klebstoffschicht 6 beispielsweise mit einer Metal lschicht 7 verbunden bzw. verklebt. Die Klebstoffschicht 6 erstreckt sich vorzugsweise vollständig über die Oberfläche der Isolationsschicht 5. Die Metallschicht 7 kann beispielsweise durch eine weitere Aluminiumschicht oder eine Aluminiumplatte zu Kühlzwecken gebildet sein. Die Metal lschicht 7 bildet in einer bevorzugten Ausführungsvariante einen Kühlkörper aus und kann an der der Klebstoffschicht 6 gegenüberliegenden Oberflächenseite eine Profil ierung zur Oberflächenvergrößerung aufweisen, die unterschiedlichster Gestalt, insbesondere im H inblick auf Form, Anordnung und Tiefe vorhandener
Ausnehmungen ausgebildet sein kann.
Als Kleber zur Erzeugung der Klebstoffschicht 6 können unterschiedl iche, zum Kleben von Aluminiumdioxid geeignete Klebstoffe Verwendung finden, beispielsweise Epoxidharz-Klebstoffe, Acryl-Klebstoffe oder Polyurethan-Klebstoffe. Bevorzugt finden Kleber bzw. Klebstoffe niedriger Viskosität Verwendung, um die poröse Oberfläche der erzeugten Eloxalschicht bzw. Isolationsschicht 5 aus Aluminiumoxid zu verfül len und damit die Isolationsfestigkeit des Substrates 1 weiter zu erhöhen.
Die Kupferschicht 3 weist innerhalb der ersten Verbundschicht 1 eine Schichtdicke d 1 zwischen 35 /vm und 2 mm und die Aluminiumschicht 4 eine Schichtdicke d2 zwischen 1 0 μνη und 300 μνη, wobei die Schichtdicke d3 der aus der zumindest teilweise umgewandelten Aluminiumschicht 4 hergestel lten Isolationsschicht 5 zwischen 5 μιη und 50 μιη beträgt. In einer Ausführungsvariante der Erfindung kann die Aluminiumschicht 4 auch vollständig eloxiert sein, d.h. die vol lständig eloxierte Aluminiumschicht 4 bildet die Isolationsschicht 5. Die Klebstoffschicht 6 weist vorzugsweise eine Schichtdicke d4 zwischen 1 μνη und 20
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auf. Die Schichtdicke d5 der Metal lschicht 7 beträgt zwischen 300 μνη und 50 mm.
Das Substrat 1 dient als Leiterplatten für elektrische oder elektronische Schaltkreise oder Schaltungsmodule, insbesondere für elektronische Leistungsschaltungen. H ierzu wird zumindest die Kupferschicht 3 der ersten Verbundschicht 1 mittels an sich bekannter Maskierungs- und Ätztechnologien in mehrere Metal l isierungsabschnitte strukturiert, die beispielsweise Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Anschlussflächen ausbilden. Vorzugsweise erfolgt die Strukturierung der Kupferschicht 3 der ersten Verbundschicht 1 nach der Herstel lung des Substrates 1 . Aufgrund der sehr dünnen Eloxalschicht bzw. Isolationsschicht 5 wird vorzugsweise nur eine der
Metal l isierungen des Substrates 1 , und zwar die Kupferschicht 3 der ersten
Verbundschicht 2 strukturiert, um eine ausreichende Stabil ität des Substrates 1 sicherzustel len. Bei einer entsprechenden, Stabil itätsverstärkend Zwischenschicht ist jedoch auch eine Strukturierung beider Metal l isierungen des Substrates 1 ,
beispielsweise der Metal lschicht 7 mögl ich. Die Strukturierung der Kupferschicht 3 der ersten Verbundschicht 2 erfolgt vorzugsweise bis zur Eloxalschicht bzw.
Isolationsschicht 5 aus Aluminiumoxid.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsvariante des Substrates 1 gemäß Figur 1 , bei der anstelle der Metallschicht 7 eine zweite Verbundschicht 2' über die
Klebstoffschicht 6 mit der ersten Verbundschicht 2 verbunden ist. In der dargestel lten Ausführungsform weisen die erste und zweite Verbundschicht 2, 2' einen ähnlichen, vorzugsweise identischen Aufbau auf, d.h. die zweite Verbundschicht 2' umfasst ebenfal ls eine Kupferschicht 3', eine daran anschl ießende Aluminiumschicht 4', die an ihrer der Kupferschicht 3' gegenüberliegenden Oberflächenseite zumindest teilweise in eine Isolationsschicht 5' aus Aluminiumoxid bzw. Eloxalschicht mittels Eloxieren umgewandelt ist. Die im Verbund damit einander gegenüberl iegenden
Isolationsschichten 5, 5' werden über die Klebstoffschicht 6 beispielsweise direkt miteinander verbunden. Durch das Vorsehen zweier Isolationsschichten 5, 5' erhöht sich die Isolationsfestigkeit des Substrates 1 weiter.
Bei der Fertigung werden zunächst die erste und zweite Verbundschicht 2, 2' hergestellt, vorzugsweise aus derselben walzplattierten Verbundwerkstoffschicht, und dann eine Klebstoffschicht 6 auf zumindest eine der Isolationsschichten 5, 5', vorzugsweise beide Isolationsschichten 5, 5' aufgebracht, die derart vorbereiteten Verbundschichten 2, 2' werden anschließend zusammengeführt und miteinander verklebt bzw. laminiert. Der Kleber bzw. Klebstoff der Klebstoffschicht 6 wird im Anschluss daran ausgehärtet, beispielsweise durch entsprechende Beaufschlagung mit Druck und/oder Temperatur.
Im Anschluss daran wird zumindest eine der Kupferschichten 3, 3' mittels an sich bekannter Maskierungs- und Ätztechniken zur Ausbildung mehrere Metallisierungsabschnitte strukturiert. Nach einer Endreinigung des bereits
strukturierten Substrates 1 kann noch eine Kantenversiegelung durchgeführt werden, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Auch ist eine Herstellung der erfindungsgemäßen Substrate 1 in Form von
Mehrfachsubstraten möglich, welche nach erfolgter Fertigung zu den gewünschten „Einzel"-Substraten 1 vereinzelt werden. Die Vereinzelung erfolgt bei den
erfindungsgemäßen Substraten 1 beispielsweise mittels mechanischer
Bearbeitungsvorgänge wie beispielsweise Sägen, Schneiden oder Stanzen oder unter Verwendung einer Lasereinheit. Demnach erstreckt sich die unstrukturierte
Metallschicht 7 unterschiedlich zum Stand der Technik vorzugsweise auch bis zum Rand der Schnittkante des jeweiligen Substrates 1 .
Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Substrates 1 , bei der zur weiteren Erhöhung der Spannungs- und Durchschlagfestigkeit zwischen der ersten und zweiten Verbundschicht 2, 2' gemäß der Ausführungsvariante nach Fig. 2 noch eine zusätzliche Aluminiumschicht 4" angeordnet ist, deren Ober- und Unterseite zur Erzeugung einer Isolationsschicht 5" aus Aluminiumoxid jeweils eloxiert sind. Alternativ kann auch nur eine Isolationsschicht 5" aus Aluminiumoxid vorgesehen sein, d.h. die zusätzliche Aluminiumschicht 4" ist vollständig eloxiert. Die Isolationsschicht bzw. Isolationsschichten 5" sind über jeweils eine Klebstoffschicht 6, 6' mit den Isolationsschichten 5, 5' der ersten und zweiten Verbundschicht 2, 2' verbunden. In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante gemäß Fig. 4 ist zwischen der ersten und zweiten Verbundschicht 2, 2' des Substrates 1 gemäß Fig. 2 eine dritte Verbundschicht 2"' bestehend aus einer mittleren Kupferschicht 3" deren Ober- und Unterseite mit einer Aluminiumschicht 4", 4"' versehen ist, wobei die jeweilige Aluminiumschicht 4", 4"' analog zu vorgenannten Ausführungsbeispielen jeweils eine Isolationsschicht 5" aufweist. Die Verbindung der Isolationsschichten 5, 5', 5" der ersten bis dritten Verbundschicht 2, 2', 2" erfolgt wiederum über jeweils eine
Klebstoffschicht 6, 6'. Vorteilhaft kann die Kupferschicht 3" ebenfalls elektrisch genutzt werden und beispielsweise in mehrere Metallisierungsabschnitte strukturiert sein. Versteht sich, dass auch mehrere mittlere Kupferschichten 3" vorgesehen sein können.
Zur Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften des Substrates 1 ist in einer alternativen Ausführungsvariante gemäß Fig. 5 in die jeweilige Aluminiumschicht 4, 4' vor der Durchführung des Eloxal-Verfahrens eine Profilierung eingebracht,
beispielsweise in der Form von pyramiden- oder prismenförmigen Ausnehmungen. Das Einbringen der Profilierung in die jeweilige Aluminiumschicht 4, 4' kann beispielsweise durch Prägen mittels Walzen oder durch Rädeln erfolgen. Hierdurch ist der thermische Widerstand des Substrates 1 nochmals reduzierbar. Vorzugsweise findet hier eine Aluminiumschicht 4, 4' mit einer erhöhten Schichtdicke d2 zwischen 0,1 mm und 1 mm Verwendung.
Auch können in einer nicht dargestellten Ausführungsvariante Kupferschicht 3, 3' mit größeren Schichtdicken d1 der ersten und/oder zweiten Verbundschicht 2, 2' gemäß Fig. 2 und 5 vor der Herstellung der Klebeverbindung 6, und zwar insbesondere nach dem Eloxieren der Aluminiumschicht 4, 4' bereits vor strukturiert werden,
vorzugsweise durch Stanzen, Lasern oder Wasserstrahlschneiden, d.h. ohne
Verwendung einer aufwendigen Maskierungs- und Ätztechnologie. Hierdurch ist eine Reduzierung der Isograbenbreiten zwischen den strukturierten Kupferabschnitten möglich.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung derartiger Substrate 1 werden die Verbundschichten 2, 2', 2" durch Walzplattieren einer Kupferfolie mit einer
Aluminiumfolie bzw. einer Aluminiumfolie, einer Kupferfolie und einer weiteren
Aluminiumfolie hergestellt, und zwar vorzugsweise in Form eines Bandes. Es versteht sich jedoch, dass die beschriebenen Verbundschichten 2, 2', 2" als Plattenwaren gefertigt werden können. Damit können die zwar walzplattierten, jedoch noch nicht eloxierten Verbundschichten 2, 2', 2" vorteilhaft entweder als Band auf einer Rolle oder in Plattenform für den weiteren Fertigungsprozess bereitgestellt werden.
Das anschließende Eloxieren der Aluminiumschicht 4, 4' der vorbereiteten
Verbundschicht 2, 2', 2" erfolgt vorzugsweise in einer Durchlaufanlage oder in einem entsprechenden Tauchbecken. Schließlich werden die eloxierten Verbundschichten 2, 2' durch Aufbringen der Klebstoffschicht 6, 6' entweder miteinander oder mit der Metallschicht 7 verbunden. Vor oder nach dem vollständigen Aushärten der
Klebstoffschicht 6, 6' erfolgt ein Schneiden der Bandware bzw. Plattenware und anschließendes Trocknen. Die getrockneten Einzellagen bzw. Platten, welche jeweils als Mehrfachsubstrate ausgebildet sein können, werden anschließend mittels bekannter Maskierungs- und Ätztechnologien maskiert und geätzt und dadurch eine vorgegebene Strukturierung zumindest einer der Kupferschichten 3, 3' vorgenommen. Alternativ kann bei Kupferschichten 3, 3' erhöhter Schichtdicke die Strukturierung der
Kupferschichten 3, 3' durch Stanzen oder Schneiden mittels einer Lasereinheit oder einer Wasserstrahleinheit erfolgen. Nach Durchführung einer Schlussreinigung können die Substrate 1 vereinzelt werden, und zwar vorzugsweise unter Verwendung einer Lasereinheit oder eines mechanischen Trennungsverfahrens.
Unter Kupferschicht 3, 3', 3" wir auch im erfindungsgemäßen Sinne auch eine
Kupferlegierungsschicht verstanden.
Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Substrate 10 gemäß der Fig. 6 und 7 wird die Isolationsfestigkeit des Substrates 10 dadurch noch erhöht, dass anstelle der Metallschicht 7 eine Papierkeramikschicht 1 1 Verwendung findet. Hierzu weist das Substrat 10 eine Verbundschicht 12 mit einer Metallschicht 1 3 und zumindest einer Aluminiumschicht 14 auf. Die Aluminiumschicht 14 der
Verbundschicht 12 ist somit ebenfalls zumindest teilweise eloxiert ausgebildet, so dass eine Eloxalschicht 1 5 entsteht, die wiederum über eine Klebstoffschicht 16 mit der Papierkeramikschicht 1 1 verbunden ist. Die Eloxalschicht 15 dient hierbei
insbesondere als Haftverbesserer, um die an sich glatte Oberfläche der
Aluminiumschicht 14 durch die aufgeraute Eloxalschicht 1 5 zu ersetzen, die eine hohe Haftkraft der Klebeverbindung zwischen der Papierkeramikschicht 1 1 und der
Verbundschicht 12 gewährleistet. Unter einer Papierkeramikschicht 1 1 wird hierbei ein bei der Papierherstellung mit einem sinterfähigen keramischen Pulver, vorzugsweise Aluminiumoxid-Pulver angereichertes Papiergefüge verstanden, aus dem ein präkeramisches Papiergefüge erzeugt wird. Vorzugsweise beträgt der Anteil des sinterfähigen keramischen Pulvers am Gesamtvolumen des präkeramischen Papiergefüges zwischen 80 und 90 Gew.-%. Das präkeramische Papiergefüge wird einem zweistufigen thermischen U msetzungsprozess unterzogen und in erster Stufe aus dem präkeramisches
Papiergefüge („Grünl ing") zunächst ein„Braunl ing" erzeugt, bei dem die organischen Komponenten des präkeramischen Papiergefüges, beispielsweise Zel lstoff, Stärke und Latex oxidativ entfernt sind. Anschl ießend wird in der zweiten Stufe der„Braunl ing" einem Sinterprozess zugeführt, wodurch ein keramischer Werkstoff, und zwar die Papierkeramik mit den typischen Materialeigenschaften eines Keramikmaterials entsteht, wie beispielsweise einer hohen Biege- und Isolationsfestigkeit. Die
Papierkeramikschicht 1 1 ist jedoch im Vergleich zu einer herkömml ichen
Keramikschicht leichter und vor der Durchführung des thermischen
U msetzungsprozesses individuell verformbar. Auch kann vorteilhaft das
Ausgangsmaterial der Papierkeramikschicht 1 1 , und zwar das präkeramischen
Papiergefüge aufgrund der Verformbarkeit als Rol lenware gelagert und
weiterverarbeitet werden. Die erfindungsgemäß verwendete Papierkeramikschicht 1 1 weist beispielsweise eine Schichtdicke d6 zwischen 50 vm und 600 vm, vorzugsweise 80 μνη und 1 50 μνη auf und besitzt ein E-Modul zwischen 90 σ Pa und 1 50 σ Pa.
Die Strukturierung der Metal lschicht 1 3 erfolgt wiederum mittels an sich bekannter Maskierungs- und Ätztechnologien, vorzugsweise nach Herstel lung der
Klebeverbindung mit der Papierkeramikschicht 1 1 .
In einer weiteren Ausführungsvariante findet eine Verbundschicht 12' Verwendung, die neben der Kupferschicht 1 3 und der Aluminiumschicht 14 eine daran
anschl ießende Aluminium-Sil izium-Schicht 18, welche ebenfal ls durch Walzplattieren hergestel lt ist, und zwar wird vorzugsweise zunächst ein Verbund aus der
Aluminiumschicht 1 4 eine daran anschließende Aluminium-Silizium-Schicht 1 8 durch Walzplattieren erzeugt und dieser Verbund erneut mit der Kupferschicht 1 3
walzplattiert. Die Aluminium-Sil izium-Schicht 1 8 der Verbundschicht 1 2' ist über eine Lotschicht 1 9 mit der Papierkeramikschicht 1 1 verbunden. Ein entsprechend ausgebildetes Substrat 1 0 ist beispielsweise in Fig. 7 schematisch dargestel lt. Das Verlöten der aus Aluminiumoxid hergestel lten Papierkeramikschicht 1 1 erfolgt unter Schutzgas, beispielsweise N2 oder AR, und unter Ausnutzung des Aluminium- Sil izium-Eutektikums. Erfindungsgemäß werden bei Verwendung eines Klebers mit niedriger Viskosität u.a. auch in den Isolationsschichten 5, 5' bestehende Risse ausgegossen, indem die Verbundschicht 2, 2' entsprechend erwärmt wird, jedoch unterhalb der
Aushärtetemperatur des Klebers, um gezielt an Schwachstellen Risse zu erzeugen, in die der Kleber anschließend eindringen kann. Auch werden durch Verwendung der entsprechenden Prozesstemperatur von 120°C bis zu 1 60°C bestehende Risse aufgeweitet und können damit einfach mit Kleber verfüllt werden. Die
Temperaturerhöhung kann hierbei stufenartig oder kontinuierlich über einen vorgegebenen Zeitraum erfolgen. Vorteilhaft erfolgt bei einer stufenartigen
Temperaturerhöhung ein Ausdampfen von im Kleber eventuell enthaltener
Bindemittel. Die Aushärtetemperaturen gängiger Kleber liegen hierbei bei
beispielsweise über 180 °C. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit der verwendeten Klebstoffe können dieser in einer Ausführungsvariante der Erfindung auch mit
Nanofasern angereicht sein.
Vorzugsweise weisen die mittels Walzplattieren hergestellten Verbundschichten 2, 2' eine im Vergleich zu den Kupferschichten 3, 3' deutlich dünnere Aluminiumschicht 4, 4', 4" auf, und zwar beträgt die Schichtdicke d2 der Aluminiumschicht 4, 4', 4" weniger als die Hälfte der Schichtdicke d1 der Kupferschichten 3, 3', vorzugsweise sogar weniger als ein Drittel der Schichtdicke d1 der Kupferschichten 3, 3'.
Insbesondere hier ist eine vollständige Umwandlung der Aluminiumschicht 4, 4', 4" durch entsprechendes Eloxieren in die Isolationsschicht 5, 5', 5" vorteilhaft, da eine Verunreinigung des Ätzbades durch Lösen von Aluminium aus der zumindest teilweise vorhandenen Aluminiumschicht 4, 4', 4" vermieden werden kann. Vorzugsweise wird somit die nach der Umwandlung in die Isolationsschicht 5, 5', 5" verbleibende Schichtdicke der Aluminiumschicht 4, 4', 4" so gering wie möglich gehalten.
Auch kann die Klebeverbindung zwischen den unterschiedlichen Verbundschichten bzw. Schichten nach erfolgten Auftragen des Klebers im Verbund mittels Laminieren bzw. Walzen erfolgen, um die Schickdicke d4 der Klebstoffschicht 6 gering zu halten.
Ferner können die Substrate 1 nach dem Kleberauftrag mit Vakuum beaufschlagt werden, um ggf. vorhandene Gaseinflüsse in der Eloxalschicht bzw. Isolationsschicht 5 aus Aluminiumoxid, die zu einer Erhöhung und damit Verschlechterung der
Isolationsfestigkeit beitragen, entfernen zu können.
In einer weiteren Ausführungsvariante weist die jeweilige Klebstoffschicht 6, 6', 6" zumindest zwei unterschiedliche Klebstoffe auf, die vorzugsweise schichtartig hintereinander aufgetragen werden. Beispielsweise können Klebstoffe
unterschiedlicher Viskosität Verwendung finden, wobei der eine Klebstoff mit geringerer Viskosität zum Verfüllen von Fehlstellen wie Rissen oder Poren in der jeweiligen Eloxalschicht 5, 5', 5"und der weitere Klebstoff mit höher Viskosität zur Herstellung der Klebeverbindung des Schichtenverbundes vorgesehen wird.
Beispielsweise kann das Verkleben mit einem Epoxidkleber und das Verfüllen der Fehlstellen nur mit reinem Epoxid, d.h. ohne Härteranteil erfolgen. Vorteilhaft kann das Epoxid bei einer höheren Temperatur im Vergleich zum Epoxykleber verarbeitet werden, um dessen Viskosität herabzusetzen. Auch kann überschüssiges
Verfüllmaterial, insbesondere Epoxid entfernt werden, so dass im Wesentlichen nur noch in den Fehlstellen Epoxid verbleibt. Im nächsten Schritt wird dann der
Epoxidkleber aufgebracht. Der Härteranteil des Epoxidklebers diffundiert hierbei auch in das reine, bereits verarbeitete Epoxid in den gefüllten Fehlstellen und härtet diese ebenfalls mit aus.
Bei Eloxieren von walzplattierten Verbundschichten 25 umfassend eine Kupferschicht oder Kupferlegierungsschicht 23 und eine Aluminiumschicht oder
Aluminiumlegierungsschicht 24 ist es zwingend erforderlich, dass keinesfalls beide Metalle in Kontakt mit dem Elektrolyt 21 eines Eloxalbades 20 kommen, da ansonsten über die Kupferschicht oder Kupferlegierungsschicht 23 eine Art Kurzschluss parallel zur eloxierenden Oberfläche der Aluminiumschicht oder Aluminiumlegierungsschicht 24 erzeugt wird. Dieser Kurzschluss verhindert, dass sich über die dünne Oxidschicht (AI2O3), welche üblicherweise vor er Eloxalbehandlung bereits vorhanden ist, eine ausreichende Spannung aufbauen kann. Diese entstehende Spannung durchschlägt jeweils lokal die dünne Oxidschicht (AI2O3) und führt zur Oxidation des darunter befindlichen Aluminium zu Aluminiumoxid. Figur 8 zeigt anhand einer schematischen Zeichnung ein entsprechendes Eloxalbad 20 mit einer Kathode 22 und der durch die Kupferschicht oder Kupferlegierungsschicht 23 gebildete Anode, an welcher eine Gleichspannung U anliegt. Die Erfinder haben erkannt, dass dem Entstehen eines derartigen Kurzschlusses dadurch entgegengewirkt werden kann, dass eine vollständige Maskierung oder Abdeckung der Oberflächen der Kupferschichten 23 durch ein rahmenförmiges Abdeckelement erfolgt, d.h. der Kontakt des Elektrolyt 21 zur Kupferschichten 23 wird effektiv verhindert, wohingegen der für das Eloxieren erforderliche Kontakt zur Aluminiumschicht 24 weiterhin gegeben ist. Die Maskierung kann in einer alternativen Ausführungsvariante auch durch Aufbringen einer Schutzfolie oder eines Schutzlackes oder einer Kombinationen davon erfolgen. Gemein ist diesen Verfahren jeweils die abdichtende Wirkung gegenüber dem Elektrolyt 1 1 .
In einer alternativen Ausführungsvariante erfolgt eine Maskierung oder Abdeckung des elektrischen Feldes durch Hilfselektroden 26, beispielsweise metallische Bleche oder Komponenten, die mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sein können und die gegen die verwendeten chemischen Bestandteile des Eloxalbades 20 sowie die vorliegenden elektrischen Felder beständig ist. Die Hilfselektroden 26 werden elektrisch mit der Anode verbunden, so dass die Geleichspannung U bzw. das entstehende elektrische Feld zwischen Hilfselektrode 26 und Oberfläche des
Kupferschicht 23 der Verbundschicht 25 gleich Null ist. Dadurch ist keine
„mechanische" Abdichtung der Oberflächen der Kupferschichten erforderlich, sofern keine chemische Behandlung der Kupferschicht 3 erfolgt. Die„Abdichtung" der Kupferschicht 23 erfolgt somit kontaktlos.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist der Abstand x zwischen der
rahmenartigen Hilfselektrode 25 und der Aluminiumschicht bzw.
Aluminiumlegierungsschicht 24 der darin aufgenommenen Verbundschicht 25 größer als 0mm, jedoch kleiner als 10mm, vorzugsweise zwischen 0 und 1 mm.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegend Erfindungsgedanke verlassen wird. Bezugszeichenliste
1 Substrat
2 erste Verbundschicht
2' zweite Verbundschicht
2" dritte Verbundschicht
3, 3', 3" Kupferschicht
4, 4', 4", 4'" Aluminiumschicht
5, 5', 5" Eloxalschicht bzw. Isolationsschicht aus Aluminiumoxid
6, 6', 6" Klebstoffschicht
7 Metallschicht
10 Substrat
1 1 Papierkeramikschicht
12, 12' Verbundschicht
1 3 Metallschicht, insbesondere Kupferschicht
14 Aluminiumschicht
15 Eloxalschicht bzw. Isolationsschicht aus Aluminiumoxid 16 Klebstoffschicht
18 Aluminium-Silizium-Schicht
19 Lotschicht
20 Eloxalbad
21 Elektrolyt
22 Kathode
23 Kupferschicht bzw. Kupferlegierungsschicht
24 Aluminiumschicht bzw. Aluminiumlegierungsschicht
25 Verbundschicht
26 Hilfselektrode
P Profilierung
d1 - d6 Schichtdicken
U Gleichspannung X Abstand

Claims

Patentansprüche
1 . Substrat (1 , 10) für elektrische Schaltkreise umfassend zumindest eine mittels Walzplattieren hergestellte erste Verbundschicht (2), die nach dem
Walzplattieren zumindest eine Kupferschicht (3) und eine daran anschließende Aluminiumschicht (4) aufweist, bei dem zumindest die von Kupferschicht (3) abgewandten Oberflächenseite der Aluminiumschicht (4) zur Erzeugung einer Eloxal- bzw. Isolationsschicht (5) aus Aluminiumoxid eloxiert ist, und bei dem die Eloxal- bzw. Isolationsschicht (5) aus Aluminiumoxid über zumindest eine Klebstoffschicht (6, 6') mit einer Metallschicht (7) oder zumindest einer zweiten Verbundschicht (2') oder zumindest einer Papierkeramikschicht (1 1 ) verbunden ist.
2. Substrat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
Verbundschicht (2') analog zur ersten Verbundschicht (2) aufgebaut ist.
3. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verbundschicht (2') eine Eloxal- bzw. Isolationsschicht (5') aufweist und die Eloxal- bzw. Isolationsschichten (5, 5') der ersten und zweiten Verbundschicht (2, 2') über die zumindest eine Klebstoffschicht (6) miteinander verbunden sind.
4. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Verbundschicht (2, 2') über zumindest eine weitere Zwischenschicht mittels jeweils einer Klebstoffschicht (6, 6') miteinander verbunden sind.
5. Substrat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht durch eine Aluminiumschicht (4") gebildet ist, die zur Erzeugung zweier gegenüberliegender Eloxal- bzw. Isolationsschichten (5") aus Aluminiumoxid an ihren einander gegenüberliegenden Oberflächenseiten eloxiert ist.
6. Substrat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht durch eine dritte Verbundschicht (5") umfassend eine Aluminiumschicht (4"), eine Kupferschicht (3") und eine weitere Aluminiumschicht (4"') gebildet ist, wobei jeweils die von der Kupferschicht (3") abgewandten Oberflächenseiten der Aluminiumschichten (4", 4"') zur Erzeugung zweier gegenüberl iegender Eloxal- bzw. Isolationsschichten (5") aus Aluminiumoxid eloxiert sind.
7. Substrat nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eloxalbzw. Isolationsschichten (5) aus Aluminiumoxid der ersten Verbundschicht (5) über eine Klebstoffschicht (6) mit der einen Eloxal- bzw. Isolationsschichten (5") aus Aluminiumoxid der Zwischenschicht und die Eloxal- bzw.
Isolationsschichten (5') aus Aluminiumoxid der zweiten Verbundschicht (5') über eine weitere Klebstoffschicht (6') mit der anderen Eloxal- bzw.
Isolationsschichten (5") aus Aluminiumoxid der Zwischenschicht verbunden ist.
8. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Aluminiumschicht (4, 4', 4") über einen Teil ihrer
Schichtdicke (d2) eloxiert ist und/oder dass die Schichtdicke (d3) der aus der zumindest teilweise umgewandelten Aluminiumschicht (4, 4', 4") hergestel lten Isolationsschicht (5, 5', 5") zwischen 5 vm und 50 jum beträgt.
9. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest eine Aluminiumschicht (4, 4', 4") des Substrates (1 ) vollständig eloxiert ist und die Aluminiumschicht (4) vol lständig in die Eloxal- bzw.
Isolationsschicht (5) aus Al uminiumoxid umgewandelt ist.
10. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupferschicht (3, 3', 3") eine Schichtdicke (d 1 ) zwischen 35 μιτι und 2 mm, die Aluminiumschicht (4, 4', 4") eine Schichtdicke (d2) zwischen 1 0 μνη und 300 jum und die Metal lschicht (7) eine Schichtdicke (d5) zwischen 300 μνη und 50 mm aufweist.
1 1 . Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Aluminiumschicht (4, 4', 4") eine vor der Durchführung des Eloxal-Verfahrens eingebrachte Profil ierung (P) aufweist, die beispielsweise eine Vielzahl von pyramiden- oder prismenförmigen Ausnehmungen umfasst.
12. Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Verbundschicht (2, 2') durch Walzplattieren einer Kupferfolie mit zumindest einer Aluminiumfolie hergestellt sind.
13. Substrat nach der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffschicht (6, 6', 6") aus einem Epoxidharz-Klebstoff, Acryl-Klebstoff oder Polyurethan-Klebstoff hergestellt ist und/oder dass der zur Herstellung der Klebstoffschicht (6, 6', 6") verwendete Klebstoff eine niedrige Viskosität aufweist.
14. Substrat nach der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Kupferschichten (3, 3') zur Ausbildung von Leiterbahnen, Kontakt- und/oder Anschlussflächen in mehrere Metallisierungsabschnitte strukturiert ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Substrates (1, 10) für elektrische Schaltkreise, bei dem aus einer Kupferfolie und zumindest einer Aluminiumfolie mittels Walzplattieren zumindest eine erste Verbundschicht (2, 2') hergestellt wird, die zumindest eine Kupferschicht (3, 3') und eine daran anschließende
Aluminiumschicht (4, 4') aufweist, bei dem zumindest die von Kupferschicht (3, 3') abgewandten Oberflächenseite der Aluminiumschicht (4, 4') eloxiert wird und dadurch eine Eloxal- bzw. Isolationsschicht (5) aus Aluminiumoxid erzeugt wird, und bei dem die erzeugte Eloxal- bzw. Isolationsschicht (5) aus
Aluminiumoxid über zumindest eine Klebstoffschicht (6, 6') mit einer
Metallschicht (7) oder zumindest einer zweiten Verbundschicht (2') oder zumindest einer Papierkeramikschicht (11 ) verklebt wird.
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