DE10148751A1

DE10148751A1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektronikeinheit sowie Elektronikeinheit

Info

Publication number: DE10148751A1
Application number: DE10148751A
Authority: DE
Inventors: Erich Mattmann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2003-04-17

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikeinheit sowie auf eine Elektronikeinheit mit einem niedrigschmelzenden metallischen Träger 1, auf dem eine Isolierschicht, auf die Isolierschicht ein Leiterbahnsystem und auf dem Leiterbahnsystem elektronische Leistungsbauelemente angeordnet werden. Auf dem Träger 1 ist mittels einer Verbindungsmaterialschicht eine dünne, niedriginternde flexible Keramikfolie aufgebracht, die ein aus einem niedrigschmelzen Dickschichtsystem bestehendes Leiterbahnsystem trägt, mit dem die vom Leiterbahnsystem getragenen Leistungsbauelemente 7, 8 elektrisch leitend verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikeinheit sowie eine Elektronikeinheit mit einem niedrigschmelzenden metallischen Träger, auf dem eine Isolierschicht, auf der Isolierschicht ein Leiterbahnsystem und auf dem Leiterbahnsystem elektronische Leistungsbauelemente angeordnet werden.
Bei derartigen Verfahren ist es bekannt eine Seite des aus reinem oder mit Magnesium legiertem Aluminium bestehenden Trägers zu oxidieren, indem diese Seite in eine Säurelösung mit geringer elektrischer Leitfähigkeit bei einer Stromdichte zwischen 1 und 5 A/dm² und einer stabilisierten Temperatur gebracht wird, um anodisch zu oxidieren, bis eine oxidierte Schicht mit einer Dicke von etwa 10 µm entstanden ist. Diese oxidierte Schicht bildet eine Isolierschicht.
Um auf diese Isolierschicht Leiterbahnen aufdrucken zu können, muß erst eine Reinigung dieser Schicht erfolgen. Dieses Verfahren erfordert aufwendige Verfahrensschritte.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikeinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, das einfach durchführbar ist. Weiterhin soll eine Elektronikeinheit der eingangs genannten Art geschaffen werden, die bei einfachem Aufbau eine gute Ableitung der durch die elektronischen Leistungsbauelemente erzeugten Wärme gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf eine dünne, niedrigsinterbare flexible Keramikfolie in deren ungesintertem Zustand das Leiterbahnsystem als niedrigschmelzendes Dickschichtsystem aufgebracht und in einem Sinterprozeß gesintert wird, daß auf die mit dem Leiterbahnsystem versehene Seite des Trägers oder auf die auf den Träger aufzubringende Seite der gesinterten Keramikfolie eine dünne Verbindungsmaterialschicht aufgebracht und die gesinterte Keramikfolie über die Verbindungsmaterialschicht auf den Träger aufgesetzt und die Einheit aus Träger und Leiterbahnsystem tragender, gesinterter Keramikfolie einem Temperaturprozeß mit geringerer Temperatur als im Sinterprozeß unterzogen und miteinander verbunden werden und daß auf das Leiterbahnsystem die Leistungsbauelemente aufgebracht und elektrisch leitend verbunden werden.
Für dieses einfache Prozeßschritte aufweisende Verfahren sind nur wenige unterschiedliche Produktionseinrichtungen erforderlich. Insbesondere kann auf einen besonderen Aufwand eines Reinigungsschrittes und die dazu erforderlichen Einrichtungen verzichtet werden.
Die auf den als Kühlkörper dienenden Träger aufgebrachte Keramikfolie geringer Dicke und die dünne Verbindungsmaterialschicht bilden nur einen geringen Wärmewiderstand und führen so zu einem weitgehend direkten Wärmeübergang und zu einer Wärmeabfuhr hoher Effektivität. Dadurch können kleine und somit kostengünstigere Leistungshalbleiterelemente eingesetzt werden. Weiterhin läßt sich eine Präzisionselektronik herstellen, bei der alle physikalischen Eigenschaften der Dickschichttechnologie genutzt werden können. Das bedeutet, daß Widerstände mit einem Temperaturkoeffizienten von < ± 100 ppm eingesetzt werden können, daß Widerstände laserabgleichbar sind, daß die Schaltung ein nur geringes Rauschen aufweist und daß die Schaltung thermisch unkritisch für die anderen Bauteile gut löt- und bondbar ist.
Die Keramikfolie bildet nicht nur einen Träger für das Leiterbahnsystem sondern ist gleichzeitig die das Leiterbahnsystem gegenüber dem Träger elektrisch isolierende Isolierschicht.
Der Träger dient nicht nur als Elektronikträger sondern in Doppelfunktion auch als Kühlkörper. Ist der Träger gleichzeitig auch Teil des Elektronikgehäuses, so erfüllt er auch noch eine dritte Funktion.
Die dünne, niedrigschmelzende flexible Keramikfolie kann eine LTCC- Folie (Low Temperature Cofired Ceramic Folie) sein.
Das Dickschichtsystem wird vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 0,1 mm auf die Keramikfolie aufgebracht, wozu es besonders geeignet und einfach durchführbar ist, wenn das Dickschichtsystem als Dickschichtpaste aufgebracht, insbesondere aufgedruckt wird.
Die Keramikfolie kann eine Dicke von > 0,1 mm, insbesondere von etwa 0,5 mm aufweisen und ermöglicht damit eine Wärmedurchgang hoher Effektivität zum Träger.
Der Sinterprozeß kann mit einer Temperatur von etwa 850°C bis 900°C erfolgen, ohne daß diese Temperatur für einen Träger geringerer Schmelztemperatur kritisch sein kann, da bei diesem Verfahrensstand Träger und Leiterbahnsystem noch voneinander getrennt sind.
Besonders geeignet und einfach verarbeitbar ist es, wenn als Verbindungsmaterialschicht eine Glas enthaltende Schicht aufgebracht wird. Dabei kann als Verbindungsmaterialschicht eine Glaslotschicht oder eine niedrigschmelzende, silbergefüllte Glaspaste aufgebracht, insbesondere aufgedruckt werden.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß als Verbindungsmaterialschicht eine Wärmeleitkleberschicht aufgebracht wird.
Die Einheit aus Träger und Leiterbahnsystem tragender Keramikfolie kann dem Temperaturprozeß mit einer Temperatur von < 660°C, insbesondere mit einer Temperatur von etwa 400°C bis 550°C unterzogen werden, die niedriger liegt als die Schmelztemperatur des Trägers und somit unkritisch ist.
Die Leistungsbauelemente können Leistungshalbleiterelemente und/oder Treiberbausteine sein.
Zur elektrisch leitenden Verbindung können die Leistungsbauelemente mittels unmittelbarem Verlöten oder Verlöten von Bonddrähten elektrisch leitend mit dem Leiterbahnsystem verbunden werden.
Sind die Leistungsbauelemente als SMD-Bauelemente ausgebildet, die durch Löten in einer Lotwelle elektrisch leitend mit dem Leiterbahnsystem verbunden werden, so sind sie ggf. zusammen mit weiteren auf dem Träger angeordneten Elementen besonders einfach maschinell elektrisch leitend mit den Leiterbahnen verbindbar.
Die eingangs genannte Aufgabe wird zur Schaffung einer Elektronikeinheit weiterhin dadurch gelöst, daß auf dem Träger mittels einer Verbindungsmaterialschicht eine dünne, niedrigsinternde flexible Keramikfolie aufgebracht ist, die ein aus einem niedrigschmelzendem Dickschichtsystem bestehendes Leiterbahnsystem trägt, mit dem die vom Leiterbahnsystem getragenen Leistungsbauelemente elektrisch leitend verbunden sind. Damit wird bei einfachem Aufbau eine Wärmeabfuhr hoher Effektivität erreicht und die Verwendung von niedrigschmelzenden Werkstoffen für den Träger ermöglicht.
Besteht der Träger aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, so ist er nicht nur als leicht herstellbarer und guter Kühlkörper geeignet, sondern kann auf einfache Weise als Teil des Elektronikgehäuses verwandt werden.
Bei Verwendung einzelner Leistungsbauelemente auf gleichem elektrischen Potential wie der Träger, wird eine besonders gute Wärmeableitung erreicht, wenn die Keramikfolie ein oder mehrere Ausbrüche und die Verbindungsmaterialschicht entsprechende Aussparungen aufweist, in denen direkt auf den Träger aufgebrachte Leistungsbauelemente angeordnet sind, die elektrisch leitend mit dem Leiterbahnsystem verbunden sind und auf gleichem elektrischem Potential wie der Träger liegen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Elektronikeinheit in der Seitenansicht.
Die in der Zeichnung dargestellte Elektronikeinheit weist einen plattenförmigen Träger 1 aus Aluminium auf, der auf seiner Unterseite mit Kühlrippen 2 ausgebildet ist. Unmittelbar auf die Oberseite des Trägers 1 ist eine Verbindungsmaterialschicht, die als dünne Glaslotschicht 3 ausgebildet ist, aufgebracht, die wiederum Leiterbahnen 4 eines als Dickschichtsystem ausgebildeten Leiterbahnsystems trägt.
Dazu wurde zuerst auf eine dünne LTCC-Folie 5 in ungesintertem Zustand das Leiterbahnsystem und Schichtwiderstände 6 mit einer Dickschichtpaste in einer Dicke von 0,1 mm aufgedruckt und dann die LTCC-Folie 5 und das Leiterbahnsystem in einem Temperaturprozeß bei einer Temperatur von 850°C gesintert.
Anschließend erfolgte ein dünnes Bedrucken der den Kühlrippen 2 abgewandten Seite des Trägers 1 mit der Glaslotschicht 3 und ein Aufsetzen der gesinterten LTCC-Folie 5 mit ihrer dem Leiterbahnsystem abgewandten Seite auf die Glaslotschicht 3.
Die Einheit wurde dann einem Temperaturprozeß mit einer Temperatur von 500°C unterzogen und so fest miteinander verbunden. Dadurch wurde von der LTCC-Folie 5, die zunächst als Träger für das Leiterbahnsystem gedient hatte, nun eine Isolierschicht zwischen dem Leiterbahnsystem und dem Träger 1 gebildet.
Sowohl der Sinterprozeß als auch der Temperaturprozeß erfolgten mit einer derart niedrigen Temperatur, daß dadurch keine Beeinträchtigung des aus einem niedrigschmelzenden Metall, nämlich Aluminium bestehenden Trägers 1 erfolgen kann.
Nun wurden die Leistungsbauelemente auf die Leiterbahnen 4 aufgesetzt und entweder als SMD-Bauelement 7 mittels einer Lotwelle oder als aufgesetztes Leistungsbauelement 8 mittels Verlöten von Bonddrähten 9 elektrisch leitend mit den Leiterbahnen 4 verbunden. Bezugszeichenliste 1 Träger
2 Kühlrippen
3 Glaslotschicht
4 Leiterbahnen
5 LTCC-Folie
6 Schichtwiderstand
7 SMD-Bauelement
8 Leistungsbauelement
9 Bonddraht

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Elektronikeinheit mit einem niedrigschmelzenden metallischen Träger, auf dem eine Isolierschicht, auf der Isolierschicht ein Leiterbahnsystem und auf dem Leiterbahnsystem elektronische Leistungsbauelemente angeordnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine dünne, niedrigsinterbare flexible Keramikfolie in deren ungesintertem Zustand das Leiterbahnsystem als niedrigschmelzendes Dickschichtsystem aufgebracht und in einem Sinterprozeß gesintert wird, daß auf die mit dem Leiterbahnsystem zu versehende Seite des Trägers (1) oder auf die auf den Träger aufzubringende Seite der gesinterten Keramikfolie eine dünne Verbindungsmaterialschicht aufgebracht und die gesinterte Keramikfolie über die Verbindungsmaterialschicht auf den Träger (1) aufgesetzt und die Einheit aus Träger (1) und das Leiterbahnsystem tragender, gesinterter Keramikfolie einem Temperaturprozeß mit geringerer Temperatur als im Sinterprozeß unterzogen und miteinander verbunden werden und daß auf das Leiterbahnsystem die Leistungsbauelemente (7, 8) aufgebracht und elektrisch leitend verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne, niedrig schmelzende flexible Keramikfolie eine LTCC- Folie (5) (Low Temperature Cofired Ceramic Folie) ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dickschichtsystem mit einer Dicke von etwa 0,1 mm auf die Keramikfolie aufgebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dickschichtsystem als Dickschichtpaste aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickschichtpaste aufgedruckt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikfolie eine Dicke von >0,1 mm aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikfolie eine Dicke von etwa 0,5 mm aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterprozeß mit einer Temperatur von etwa 850°C bis 900°C erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmaterialschicht eine Glas enthaltende Schicht aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmaterialschicht eine Glaslotschicht (3) aufgebracht wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmaterialschicht eine niedrigschmelzende, silbergefüllte Glaspaste aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmaterialschicht eine Wärmeleitkleberschicht aufgebracht wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit aus Träger (1)und Leiterbahnsystem tragender Keramikfolie dem Temperaturprozeß mit einer Temperatur von < 660°C unterzogen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit aus Träger (1) und Leiterbahn tragender Keramikfolie dem Temperaturprozeß mit einer Temperatur von etwa 400°C bis 550°C unterzogen wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsbauelemente Leistungshalbleiterelemente und/oder Treiberbausteine sind.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsbauelemente (7, 8) mittels unmittelbarem Verlöten oder Verlöten von Bonddrähten (9) elektrisch leitend mit dem Leiterbahnsystem verbunden werden.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsbauelemente als SMD- Bauelemente (7) ausgebildet sind, die durch Löten in einer Lotwelle elektrisch leitend mit dem Leiterbahnsystem verbunden werden.

18. Elektronikeinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (1) mittels einer Verbindungsmaterialschicht eine dünne, niedrigsinternde flexible Keramikfolie aufgebracht ist, die ein aus einem niedrigschmelzenden Dickschichtsystem bestehendes Leiterbahnsystem trägt, mit dem die vom Leiterbahnsystem getragenen Leistungsbauelemente (7, 8) elektrisch leitend verbunden sind.

19. Elektronikeinheit nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung besteht.

20. Elektronikeinheit nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikfolie ein oder mehrere Ausbrüche und die Verbindungsmaterialschicht entsprechende Aussparungen aufweist, in denen direkt auf den Träger aufgebrachte Leistungsbauelemente angeordnet sind, die elektrisch leitend mit dem Leiterbahnsystem sind und auf gleichem elektrischem Potential wie der Träger liegen.