DE10335805A1

DE10335805A1 - Leiterplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE10335805A1
Application number: DE10335805A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gottwald
Original assignee: Schweizer Electronic AG
Current assignee: Schweizer Electronic AG
Priority date: 2003-08-05
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2005-03-17

Abstract

Bei einer Leiterplatte mit einer als Wärmesenke und als Potentialbezugsebene dienenden Metallbasis, auf der sich mindestens eine Isolationsschicht befindet, die auf ihrer Oberseite ein Leitermuster sowie Befestigungsbereiche für Verlustleistung erzeugende Bauelemente trägt, wird die Wärmeableitung von diesen verlustwärmeerzeugenden Teilen der Leitermuster und von den verlustwärmeerzeugenden Bauelementen dadurch wesentlich verbessert, daß von dem Leitermuster und den Befestigungsbereichen für die verlustleistungserzeugenden Bauteile außer zu deren elektrischen Kopplung mit der Metallbasis dienenden Durchkontaktierungen zusätzliche zur thermischen Kopplung dienende Durchkontaktierungen von dem Leitermuster und/oder den Befestigungsbereichen zu der Metallbasis geführt sind. Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplatte vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte mit einer als Wärmesenke und als Potentialbezugsebene dienenden Metallbasis, auf der sich mindestens eine Isolationsschicht befindet, welche auf ihrer Oberseite ein Leitermuster sowie Befestigungsbereiche für Verlustleistung erzeugende Bauelemente trägt. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte, welche mit einem auf einer Isolierschicht angeordneten Leitermuster und mit Befestigungsbereichen für Verlustleistung erzeugende Bauelementen versehen ist und auf einer Unterseite eine als Potentialbezugsebene sowie als Wärmesenke dienende Metallbasis aufweist.

Es ist bekannt, daß auf einer Isolationsschicht einer Leiterplatte befindliche Leitermuster sowie aktive und passive elektrische Bauelemente einer Schaltungsanordnung im Betrieb Verlustleistung in Gestalt von Wärmeenergie freisetzen, die von der Schaltungsanordnung abgeführt werden muß. Dies geschieht durch Wärmeableitung und Wärmeabstrahlung von der Oberseite der Leiterplatte weg, jedoch auch durch Wärmeableitung über die dünne Isolationsschicht oder, bei mehrschichtigen Leiterplatten, über mehrere dünne Isolationsschichten zu einer als Wärmesenke und als Potentialbezugsebene dienenden Metallbasis hin. Dieser Wärmeableitungsweg besitzt jedoch wegen der schlechten Wärmeleiteigenschaften der Isolationsschicht oder der Isolationsschichten, selbst wenn diese vergleichsweise dünn gehalten sind, einen großen Wärmeleitungswiderstand.

Insbesondere dann, wenn bestimmte Bauteile der auf der Oberseite der Leiterplatte befindlichen Schaltungsanordnung verhältnismäßig große Wärmeenergiemengen im Betrieb freisetzen, welche gleichsam punktuell innerhalb der Schaltungsanordnung entstehen, ist man bestrebt, über dünne Isolationszwischenlagen die Wärme rasch zu einer vergleichsweise dicken, als Wärmesenke dienenden Metallbasis abzuleiten, die von einer Kupferplatte oder auch von einer Aluminiumplatte gebildet sein kann.

Von einem begrenzten Flächenbereich der Schaltungsanordnung auf der Leiterplatte aus wird dort bevorzugt freigesetzte Verlustwärme zunächst durch die Isolierschicht oder durch Isolierschichten hindurch zu einem begrenzten Flächenbereich der als Wärmesenke dienenden Kupferplatte oder Aluminiumplatte geleitet und dort aufgrund der guten Wärmeleiteigenschaften der Metallbasis in Richtung der durch sie bestimmten Ebene zur Seite abgeleitet und über eine größere Fläche verteilt.

Da die Isolationsschicht oder, bei mehrschichtigen Leiterplatten, die Isolationsschichten aus Gründen der wirksamen elektrischen Isolation zwischen Leiterebenen nicht beliebig dünn gemacht werden kann bzw. gemacht werden können, bleibt bei bekannten Leiterplatten die Wirksamkeit der Metallbasis als Wärmesenke trotz guter Wärmeleiteigenschaften der Metallbasis selbst beschränkt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Wärmeableitung von Verlustwärme erzeugenden Teilen von Leitermustern und von Verlustwärme erzeugenden Bauelementen auf der Oberseite einer Leiterplatte wesentlich zu verbessern. Auch soll das Ziel erreicht werden, das Leiterplattengewicht zu vermindern und die Kosten für die Bereitstellung der Metallbasis von Leiterplatten der hier genannten Art herabzusetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Leiterplatte mit den Merkmalen des anliegenden Anspruches 1 gelöst. Eine weitere Lösung dieser Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 5 erzielt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche 2 bis 4 bzw. der dem Anspruch 5 nachgeordneten Ansprüche 6 bis 10.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:
1 eine schematische, im Schnitt gezeichnete Abbildung einer Leiterplatte der hier angegebenen Art;
2 eine schematische, im Schnitt gezeichnete Abbildung eines Teiles einer Leiterplatte der hier angegebenen Art in einer abgewandelten Form; und
3 eine schematische, im Schnitt gezeichnete Abbildung eines Teiles einer Leiterplatte zur Erläuterung bestimmter Verfahrensmaßnahmen.
Die in 1 im Schnitt sowie im Ausschnitt schematisch dargestellte Leiterplatte enthält eine Metallbasis 1. Bei den in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen der hier angegebenen Leiterplatte hat die Metallbasis einen Kern 2 in Gestalt einer Aluminiumplatte, welche durch eine Zinkat-Oberflächenbehandlung mit dünnen Zinkat-Oberflächenbehandlungsschichten 3 versehen ist, und dadurch gut galvanisch beschichtbar gemacht worden ist und mit einer oberen und unteren Kupferschicht 4 bzw. 5 versehen ist.
Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß die Basisplatte bei hervorragender elektrischer und thermischer Leitfähigkeit geringeres Gewicht hat und geringere Kosten verursacht als eine massive Kupferplatte.
Anstelle der galvanischen Kupferschichten 4 und 5 können auch zur weiteren Erhöhung der Leitfähigkeit und Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit Silberschichten oder in bestimmten Fällen auch Goldschichten aufgebracht werden, da die Zinkat-Oberflächenbehandlungsschichten 3 eine solche Aufgalvanisierung gestatten.
Über der Metallbasis 1 befindet sich eine Isolationsschicht 6 und auf deren Oberseite wiederum ein Leitermuster 7 sowie Befestigungsbereiche 8 für auf die Leiterplatte aufzubringende und an ihrer Oberfläche zu befestigende, beispielsweise festzulötende elektrische Bauelemente 9.
Zur Herstellung des bisher beschriebenen Schichtenverbandes aus der Metallbasis 1, der Isolationsschicht 6 und dem Leitermuster 7 sowie den Befestigungsbereichen 8 wird die Kupferoberfläche oder werden die Kuperoberflächen der Metallbasis mit einem Haftvermittler versehen. Dies kann durch in der Leiterplattentechnik übliche Verfahren geschehen, etwa durch Schwarzoxidieren oder Braunätzen.
Dann wird auf die Metallbasis eine noch nicht ausgehärtete Isolierschichtbahn, etwa eine Prepreg-Bahn aufgelegt und eine durchgehende Leiterschicht zur Bildung der Leitermuster 7 und der Befestigungsbereiche 8 aufgebracht und der Schichtenverband wird unter Anwendung von Druck und Temperatur verpreßt, derart, daß das Harz der Isolationsschichtbahn 6 zur Aushärtung gebracht wird.
Danach wird in üblicher Weise aus der oberflächlichen Kupferschicht das Leitermuster zusammen mit den Befestigungsbereichen 8 gebildet, was durch auf diesem Gebiete bekannte Techniken geschehen kann.
Um nun bestimmte Schaltungspunkte des Leitungsmusters 7 und bestimmte Befestigungsbereiche 8 mit der als Bezugspotentialebene dienenden Metallbasis 1 zu verbinden, werden Bohrungen von den betreffenden Punkten des Leitermusters 7 und den mit Bezugspotential zu verbinden Befestigungsbereichen 8 durch die oberflächliche Kupferschicht und durch die Isolationsschicht 6 hindurch bis zu der Metallbasis 1 geführt und die Bohrungswandungen werden galvanisch kupferbeschichtet, so daß Durchkontaktierungen (Vias) entstehen.
Gemäß einem sehr wesentlichen Merkmal der hier angegebenen Leiterplatte werden aber außer diesen zur Verbindung bestimmter Leitermuster mit der Bezugspotentialebene dienenden Durchkontaktierungen zusätzliche, zur thermischen Kopplung dienende Durchkontaktierungen 10 von dem Leitermuster 7 und/oder den Befestigungsbe reichen 8 zu der Metallbasis 1 geführt. Man ersieht aus 1, daß beispielsweise von dem Befestigungsbereich 8 etwa in der Mitte von 1 nicht nur eine einzige Durchkontaktierung, sondern drei Durchkontaktierungen vom Befestigungsbereich 8 zur Metallbasis 1 reichen. Ebenso sind von dem Leitermusterteil 7 auf der rechten Seite von 1 zwei Durchkontaktierungen zu der Metallbasis 1 geführt, nämlich eine von dem Befestigungsbereich unter dem Bauteil 9 auf der rechten Seite von 1 und eine weitere von dem anschließenden Leitermusterteil 7 ebenfalls hinunter zu der Metallbasis 1.
Wenn auf der Leiterplatte befestigte Bauteile 9 in erhöhtem Maße Verlustwärme freisetzen, so kann diese Wärme durch Wärmeleitung über die Durchkontaktierungen (Vias) rasch durch die schlecht wärmeleitende Isolierschicht 6 nach der Metallbasis hin abgeführt und von dieser entlang der durch sie bestimmten Ebene verteilt und schließlich wiederum von der Metallbasis abgeführt werden, wobei eine punktuelle Erwärmung der Leiterplatte durch Leistungskonzentrationen aufgrund von dicht nebeneinander angeordneten, Verlustwärme freisetzenden Bauteilen 9 vermieden wird.
In der Ausführungsform nach 2, welche eine Leiterplatte der hier angegebenen Art in ähnlicher Darstellungsweise wie in 1 wiedergibt, sind wiederum zu 1 in Entsprechung stehende Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen.
2 zeigt zwei mögliche Abwandlungen der Ausführungsform nach 1.
Die der Isolationsschicht 6 zugewandte Kupferschicht oder Silberschicht oder Goldschicht der Basisplatte 1 kann in bestimmten Bereichen, in denen eine erhöhte Konzentration von durch ein Bauteil 9 freigesetzter Verlustleistung zu erwarten ist, in größerer Dicke ausgeführt sein, um die Abführung der Verlustwärme von den unteren Enden der thermischen Durchkontaktierungen 10 nach der Seite hin und in den Kern in Gestalt der Aluminiumplatte 2 zu beschleunigen.
Die thermischen Durchkontaktierungen und auch die elektrischen Durchkontaktierungen können mit einer gut wärmeleitfähigen Füllung 11 versehen sein. Diese Füllung kann die Wärmeleitung durch die Leiterbeschichtung der Bohrungswandungen der Durchkontaktierungen unterstützen.
Im übrigen ist festzustellen, daß zweckmäßig die Dicke der oberen Kupferbeschichtung oder Silberbeschichtung oder Goldbeschichtung der Metallbasis 1 insgesamt abhängig von der thermischen Belastung in der auf der Leiterplatte geschaffenen Schaltungsanordnung gewählt werden kann.
Anhand von 3 seien zwei Methoden zur Ausbildung thermischer Durchkontaktierungen an einer Leiterplatte der hier angegebenen An erläutet. In 3 sind für entsprechende Teile wie in den 1 und 2 wiederum gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine Beschreibung der Ausbildung und Funktionalität dieser Teile insoweit ebenso wie bei der Erläuterung von 2 verzichtet werden kann.
Ist der Schichtenverband aus der Metallbasis 1, der Isolationsschicht 6 und einer Metallschicht, insbesondere einer Kupferschicht zur Ausbildung des Leitermusters 7 hergestellt, so werden zur Ausbildung der thermischen Durchkontaktierungen und gegebenenfalls zur Ausbildung der elektrischen Durchkontaktierungen mittels eines Lasers Sacklöcher oder Sackbohrungen 12 durch die oberflächliche Kupferschicht und durch die Isolationsschicht 6 bis zu der metallischen Oberfläche der Schicht 4 der Basisplatte gebohrt und die Bohrungswandungen werden dann galvanisch verkupfert, wie bei 13 angedeutet ist. Da die Sacklöcher 12 nur bis zu der Oberfläche der Schicht 4 reichen, liegt an dem Grund der Bohrung galvanisierbares Material frei. Die Sackbohrung wird nicht bis zu der Aluminiumplatte 2 geführt, da anderenfalls der Bohrungsgrund nicht galvanisierbar wäre und einer neuerlichen Zinkatbehandlung bedürfte.
Werden Durchkontaktierungen zur thermische und zur elektrischen Ankopplung von Leitermusterteilen oder Befestigungsbereichen in der Weise gebildet, daß gemäß der Darstellung auf der reichten Seite von 3 mechanisch Durchgangsbohrungen durch die gesamte Leiterplatte hergestellt werden, wie in 3 bei 14 angedeutet, dann müssen die Durchgangsbohrungen 14 nach Reinigung einer weiteren Zinkatbehandlung unterzogen werden, um eine in 3 mit 15 bezeichnete Zinkatbehandlungsoberfläche an den Bohrungswandungen in dem Bereich der Aluminiumplatte 2 zu erzeugen, welche sich dann zusammen mit den übrigen Teilen der Bohrungswand wieder mit einem Kupferbelag 16 versehen läßt.

Claims

Leiterplatte mit einer als Wärmesenke und als Potentialbezugsebene dienenden Metallbasis (1), auf der sich mindestens eine Isolationsschicht (6) befindet, welche auf ihrer Oberseite ein Leitermuster (7) sowie Befestigungsbereiche (8) für Verlustleistung erzeugende Bauelemente (9) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Leitermuster (7) und/oder den Befestigungsbereichen für Verlustleistung erzeugende Bauteile (9) außer zu deren elektrischer Kopplung mit der Metallbasis (1) dienenden Durchkontaktierungen (Vias) (10) zusätzliche, zur thermischen Kopplung dienende Durchkontaktierungen (10) von dem Leitermuster (7) und/oder den Befestigungsbereichen (8) für Verlustleistung erzeugende Bauelemente geführt sind.
Leiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierungen (10) in ihrer Dichte je Flächeneinheit entsprechend der Verlustleistungsdichte auf der Leiterplatte vorgesehen sind.
Leiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbasis (1) eine Metallplatte aus einheitlichem, gut wärmeleitendem und gut elektrisch leitendem Material, insbesondere aus Kupfer oder Silber oder Gold, ist.
Leiterplatte mit einer als Wärmesenke und als Potentialbezugsebene dienenden Metallbasis (1), auf der sich mindestens eine Isolationsschicht (6) befindet, welche auf ihrer Oberseite ein Leitermuster (7) sowie Befestigungsbereiche (8) für Verlustleistung erzeugende Bauelemente (9) trägt, insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbasis (1) von einer Aluminiumplatte (2) gebildet ist, welche mindestens in den Anschlußpunkten der Durchkontaktierungen (10) mit einer Zinkatoberflächenbehandlungsschicht (3) und einer darauf angebrachten Kupferbeschichtung oder Silberbeschichtung oder Goldbeschichtung (4, 5) versehen ist.
Leiterplatte nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfer- oder Silber- oder Goldbeschichtung eine Dicke aufweist, die abhängig von der Menge der abzuführenden Verlustleistung unterschiedlich gewählt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte, welche mit einem auf einer Isolationsschicht (6) angeordneten Leitermuster (7) und mit Befestigungsbereichen (8) für Verlustleistung erzeugende Bauelemente (9) versehen ist, und auf einer Unterseite eine als Potentialbezugsebene sowie als Wärmesenke dienende Metallbasis (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbasis (1), welche eine aus Kupfer oder aus Silber oder aus Gold bestehende Oberfläche besitzt, mit einer Haftvermittlerschicht versehen wird und mit einer Isolationsschicht und einer Oberflächenleiterschicht fest verbunden wird, daß die Oberflächenleiterschicht zu einem Leitermuster ausgebildet wird, daß Bohrungen durch Bereiche des Leitermusters und die Isolationsschicht mindestens bis zur Metallbasis (1) erzeugt werden, wobei die Zahl der Bohrungen über die für die elektrische Ankopplung von Leitermusterbereichen an die Metallbasis erforderliche Zahl hinaus gewählt wird und daß die Bohrungswandungen mit einer Metallisierungsbeschichtung versehen werden, welche die betreffenden Leitermusterbereiche und die darunterliegenden Metallbasisbereiche thermisch koppelt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Metallbasis (1) eine Aluminiumplatte (2) bereitgestellt und einer Zinkatbehandlung unterzogen wird, durch welche eine galvanisierbare Oberflächenschicht (3) der Aluminiumplatte gebildet wird, und daß dann die Zinkatoberflächenbehandlungsschicht (3) mit einer Kupferschicht oder Silberschicht oder Goldschicht (4, 5) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen als Sackbohrungen (12), insbesondere mittels Laser, bis zur Kupfer- oder Silber- oder Goldoberfläche der Metallbasis (1) ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen als Durchgangsbohrungen (14) ausgeführt werden, welche auch durch die Aluminiumplatte (2) reichen, und daß vor der Metallisierung der Bohrungswandungen diese einer erneuten Zinkatbehandlung unterzogen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchkontaktierungsbohrungen (10) mit einem gut wärmeleitenden Füllmaterial (11) ausgefüllt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbasis (1), die als unausgehärtete Isolationsschichtbahn (6) bereitgestellte Isolationsschicht und die Oberflächenleiterschicht (7) unter Aushärtung der Isolationsschicht (6) gepreßt werden.