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DE4328353C2 - Mehrschicht-Substrat - Google Patents

Mehrschicht-Substrat

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DE4328353C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrschicht-Substrat gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1, wie es aus der DE 27 03 956 bekannt ist.
Zur Herstellung von elektrischen Schaltkreisen oder Bau­ elementen, die wenigstens einen Halbleiter-Chip aufweisen, eignen sich Mehrschicht-Substrate, die in mehreren Schichten aufeinander folgend Metallisierungen und Keramikschichten besitzen, wobei die Metallisierungen zumindest teilweise elektrische Verbindungen, innere Anschlüsse für den Halb­ leiter-Chip sowie äußere Anschlüsse bilden, mit denen das elektrische Bauelement mit einer äußeren Schaltung oder einer Leiterplatte verbunden werden kann.
Der Halbleiter-Chip ist beispielsweise ein Mikroprozessor- Chip.
Diese JP 4-48757 beschreibt ein Gehäuse für Halbleiter-Bauelemente, welches aus einem plattenförmigen Keramikkörper besteht, in welchem mehrere leitende Schichten parallel zueinander und durch Keramikmaterial elektrisch voneinander isoliert vorgesehen sind und der in der Mitte eine Ausnehmung zur Anordnung eines Halbleiter-Bauelementes aufweist. Weiterhin ist auf den von der Ausnehmung abgewandten Seite der Mehrschichtkeramik ein Kühlkörper vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mehrschicht-Substrat aufzuzeigen, welches bei einer Vielzahl von Metallisierungen bzw. Leiterbahnen und/oder Anschlüssen auch für höhere Leistungen geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Mehrschicht-Substrat entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.
Gegen die im Anspruch 1 vorgesehene Kombination bestand in der Fachwelt ein Vorurteil dahingehend, daß man an eine konventionell hergestellte Mehrschicht­ keramik keinen Kühlkörper mittels eines Kupfer-Sauerstoff-Eutektikums nach der aus der US 39 94 430 bekannten DCB-Technik anbringen könne. Dieses Vorurteil konnte dadurch überwunden werden, indem die DCB-Verbindungsfläche von der Ausnehmung in der Mehr­ schichtkeramik abgewandt angeordnet ist.
Bei der Herstellung wird zunächst das Mehrschicht-Substrat als solches, d. h. die von den Keramikschichten und den Metallisierungen (Anschlüsse, Leiterbahnen, usw.) gebildete Schichtfolge in einer geeigneten Technik hergestellt. Im Anschluß daran wird in einem gesonderten Arbeitsgang der Kühlkörper an der einen Oberflächenseite dieses Mehrschicht- Substrates befestigt bzw. hergestellt, und zwar unter Verwendung der DCB-Technik. Um dies zu ermöglichen, bestehen die Metallisierungen aus einem Metall oder einer Metal­ legierung mit einem Schmelzpunkt, der deutlich über dem Schmelzpunkt von Kupfer liegt.
Durch die Herstellung bzw. Befestigung des Kühlkörpers mittels der DCB-Technik werden die Kühlwirkung beeinträchti­ gende Zwischenschichten vermieden.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung und im Schnitt ein Mehrschicht-Substrat gemäß der Erfindung, zusammen mit einem an diesem Substrat vorgesehenen Halb­ leiter-Schaltkreis;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Schaltkreis gemäß Fig. 1;
Fig. 3-5 in Draufsicht einen Blech- bzw. Folienzuschnitt für den profilierten Kühlkörper in unbearbeiteter Form, nach dem Einbringen von schlitzförmigen Öffnungen bzw. nach dem Profilieren;
Fig. 6-7 in ähnlicher Darstellung wie die Fig. 1 und 2 eine weitere mögliche Ausführungsform Erfindung;
Fig. 8 in einer Darstellung wie Fig. 6 das Mehrschicht- Substrat der Fig. 6 und 7 mit einem weiteren Kühlkörper.
In den Figuren ist mit 1 allgemein ein Mehrschicht-Substrat bezeichnet, welches aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Keramikschichten 2 und dazwischenliegenden Metallisierungen 3 besteht. Für eine übersichtlichere Darstellung sind nur die Metallschichten 3 jeweils schraf­ fiert und die Keramikschichten 2 ohne Schraffur in der Fig. 1 wiedergegeben. Die Metallisierungen 3, die elektrische Leiterbahnen bzw. Anschlüsse bilden, sind in einer für die Herstellung von Mehrschicht-Substraten geeigneten und bekannten Technik, beispielsweise im Siebdruckverfahren hergestellt und bestehen aus einem Metall oder einer Me­ tallegierung mit einem Schmelzpunkt, der höher liegt als der Schmelzpunkt von Kupfer. Für die Metallisierungen 3 eignet sich beispielsweise Platin, Paladium, Molybdän, Wolfram oder Legierungen, die zwei oder mehrere der vorgenannten Metalle enthalten.
Die Keramikschichten 2 bestehen aus einer Aluminium-Keramik (Al₂O₃-Keramik), die auch einen geringen Anteil an Metall­ oxid, beispielsweise an Eisen-, Mangan- und/oder Molybdän- Oxid enthält, wobei der Oxidanteil beispielsweise kleiner 10% ist, beispielsweise in der Größenordnung zwischen 4 und 10% liegt.
Bei der für die Fig. 1 gewählten Darstellung ist das Mehr­ schicht-Substrat 1 an seiner Unterseite mit einer Ausnehmung 4 derart versehen, daß die Ausnehmung nach oben hin durch eine Metallisierung 3 verschlossen ist, auf die dann die in der Fig. 1 oberste Keramikschicht 2 folgt. An den Rändern ist die Ausnehmung 4 stufenförmig ausgebildet, und so derart, daß an den Stufen die Metallisierungen 3 jeweils freiliegen und somit Anschlüsse 5 (Drahtbonds) von den freiliegenden Metallisierungen 3 an die Anschlüsse des in der Ausnehmung 4 angeordneten Halbleiter-Chip 6 (z. B. Mikroprozessor-Chip 6) möglich ist.
Der Chip 6 ist mit seiner in der Fig. 1 oben liegenden Seite mittels eines geeigneten Lotes oder wärmeleitend geklebt an der die Ausnehmung 4 nach oben hin abschließenden Metallisie­ rung 3 befestigt.
An der der Ausnehmung 4 gegenüberliegenden, oberen Seite der obersten Keramikschicht 2 ist auf dem Mehrschicht-Substrat 1 ein Kühlkörper 7 befestigt. Dieser besteht bei der darge­ stellten Ausführungsform aus einer ebenen Schicht 8 aus Kupfer bzw. aus einer Kupferlegierung. Diese Schicht 8 ist flächig mit der in der Fig. 1 oberen Seite des Mehrschicht- Substrates 1 bzw. mit der diese Oberseite bildenden obersten Keramikschicht 2 verbunden. Auf der flachen Schicht 8 ist ein profiliertes Kühlkörperelement 9, das aus einer Folie oder einem dünnen Blech aus Kupfer- bzw. aus der Kupferlegierung besteht, befestigt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist dieses Element 9 gewellt bzw. wellblechartig ausgebildet und jeweils mit den in der Fig. 1 unteren Abschnitten der Profilierung (Wellentälern) mit der Oberseite der Schicht 8 verbunden.
Die Verbindung der Schicht 8 mit dem Mehrfach-Substrat sowie die Verbindung des Elementes 9 mit der Schicht 8 erfolgt jeweils mit der dem Fachmann bekannten DCB-Technik (Direct- Copper-Bonding), bei der auf die Oberseite des Mehrschicht- Substrates 1 ein die Kupferschicht 8 bildender und an seinen Oberflächenseiten oxidierter Zuschnitt aus der Kupferfolie oder dem Kupferblech und auf diesen Zuschnitt dann der ebenfalls an seinen Oberflächenseiten oxidierte und das Element 9 bildende profilierte Zuschnitt aufgelegt werden und die Anordnung in einem Ofen in einer Schutzgas-Atmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoff-Atmosphäre, auf eine Prozeßtemperatur erhitzt wird, die oberhalb der euthektischen Temperatur des Kupferoxides bzw. des Systems Kupfer-Sauer­ stoff, aber unterhalb der Schmelztemperatur des Kupfers der Schicht 8 und des Elementes 9 liegt. Diese Prozeßtemperatur, die beispielsweise 1072°C beträgt, liegt weiterhin auch deutlich unterhalb der Schmelztemperatur der Metallisierungen 3, so daß insgesamt gesehen ein komplexes Mehrschicht-Sub­ strat 1 mit dem Kühlkörper 7 erhalten wird.
Zur Steigerung der Kühlwirkung ist das profilierte Element 9 im Bereich der über die Schicht 8 vorstehenden Wellungen geschlitzt (Schlitze 10), und zwar quer zur Achse der Profilierung bzw. der Wellung. Aus Gründen der Festigkeit ist das profilierte Kühlkörperelement 9 so ausgebildet, daß es an seinen parallel zu der Profilierung verlaufenden Rändern unmittelbar mit der Kupferschicht 8 verbunden ist, d. h. diese Ränder des Kühlkörperelementes 9 von unteren, mit der Kupferschicht 8 verbundenen Abschnitten der Profilierung gebildet sind.
Wie die Fig. 2 zeigt, nimmt der Kühlkörper 7 bei der darge­ stellten Ausführungsform nur den mittleren Bereich der Oberseite des Mehrschichtsubstrates 1 ein, d. h. an der Oberseite ist eine den Kühlkörper 7 umgebende ebene Fläche 11 vorgesehen, die durch die oberste Keramikschicht 2 des Mehrschicht-Substrates 1 bestimmt ist und eine definierte Auflagefläche und damit eine exakte Positionierung des Substrates in einer Vorrichtung gewährleistet, die beispiels­ weise zum Herstellen der Anschlüsse 5 zwischen dem Halb­ leiter-Chip 6 und den Metallisierungen 3 dient.
Mit 12 ist schematisch eine Durchkontaktierung im Bereich des Mehrschicht-Substrates 1 angegeben, die eine im Inneren dieses Substrates vorgesehene Metallisierung 3 mit einem an der Unterseite des Mehrschicht-Substrates vorgesehenen und von einer dortigen Metallisierung gebildeten Kontakt ver­ bindet. Tatsächlich weist das Mehrschicht-Substrat 1 mehrere derartige Durchkontaktierungen 12 auf, die ebenfalls aus dem Metall hergestellt sind, dessen Schmelzpunkt höher liegt als der Schmelzpunkt von Kupfer.
Die Fig. 3 und 4 zeigen in schematischer Darstellung die Herstellung des Kühlkörperelementes 9. Mit 9′ ist in der Fig. 3 ein rechteckförmiger Zuschnitt aus einem Blech oder einer Folie aus Kupfer bzw. aus einer Kupferlegierung wiederge­ geben. Dieser Zuschnitt 9′ wird in einem ersten Arbeitsgang hergestellt. Anschließend erfolgt in einem zweiten Arbeits­ gang das Einbringen der Schlitze 10, so daß ein mit diesen Schlitzen 10 versehener Zuschnitt 9′′ erhalten wird (Fig. 4). In einem weiteren Arbeitsgang erfolgt dann das Profilieren des Zuschnittes 9′′ in das Kühlkörperelement 9 durch Wellen, wobei die Achse der Profilierung bzw. der Wellungen senkrecht zu den Schlitzen 10 verläuft (Fig. 5).
Es versteht sich, daß anstelle der Wellung für das Kühl­ körperelement auch eine andere Profilierung gewählt werden kann, beispielsweise eine trapezförmige oder dreieckförmige Profilierung.
Nach der Fertigstellung des Kühlkörpers 7, d. h. nach dem Befestigen der Kupferschicht 8 und des Kühlkörperelementes 9 erfolgt bevorzugt eine Oberflächen-Veredelung des Kühlkörpers 7, beispielsweise durch Vernickeln. Diese Oberflächen-Ver­ edelung kann galvanisch oder chemisch (außenstromlos) durchgeführt werden.
Der Kühlkörper 7 und dabei insbesondere die Kupferschicht 8 dienen gleichzeitig auch als Abschirmung des Halbleiter-Chip 6 insbesondere gegenüber elektrischen Spannungsfeldern (z. B. Wechselspannungsfeldern) oder elektromagnetischen Wellen. Bevorzugt ist der Kühlkörper 7 mit einem Anschluß 13 ver­ sehen, über den der Kühlkörper 7 mit einem Massepotential verbunden werden kann.
Die Fig. 6 und 7 zeigen in einer Schnittdarstellung und in einer Draufsicht ein Mehrschicht-Substrat 1a, welches sich von dem Substrat 1 nur dadurch unterscheidet, daß anstelle des Kühlkörpers 7 ein Kühlkörper 7a vorgesehen ist, der bei der dargestellten Ausführungsform wiederum aus der Kupfer­ schicht 8 und einem profilierten Kühlkörperelement 9a besteht. Die Kupferschicht 8 ist mittels der DCB-Technik flächig auf der obersten Keramikschicht 2 befestigt. Das Kühlkörperelement 9a, welches wiederum aus Kupfer bzw. aus der Kupferlegierung besteht, ist mit seiner Unterseite flächig mit der Oberseite der Kupferschicht 8 verbunden, und zwar wiederum mittels der DCB-Technik. An der Oberseite besitzt das plattenförmige Kühlkörperelement 9a eine Profi­ lierung in Form von über diese Oberseite vorstehenden Vorsprünge 14, die bei der in den Fig. 6 und 7 darge­ stellten Ausführungsform quaderförmig ausgebildet sind, aber auch eine andere Form, beispielsweise eine Pyramidenform, Noppenform, Zapfenform usw. aufweisen können.
Die Vorsprünge 14 sind bespielsweise durch bleibende Ver­ formung (Tiefziehen oder Prägen bzw. Drücken) einer den Kühl­ körper 7a bildenden Kupferfolie hergestellt. Der Kühlkörper 7a mit den Vorsprüngen 14 kann aber auch massiv als platten­ förmiges Element aus Kupfer oder aus der Kupferlegierung hergestellt sein, und zwar beispielsweise aus einem strang­ gepreßten Profil-Material, welche an einer Oberflächenseite Längsstege und dazwischenliegende Längsnuten aufweist. Zur Erzielung der quaderförmigen Vorsprünge 14 wird dann dieses Profil-Material an der genannten Oberflächenseite quer zur Profillängsrichtung gefräst, so das von den Längsstegen nur die Vorsprünge 14 stehenbleiben. Auch andere Herstellungs­ methoden für den Kühlkörper 7a mit den Vorsprüngen 14 sind denkbar.
Insbesondere dann, wenn das Kühlkörperelement 9a massiv hergestellt ist, kann auf die Kupferschicht 8 verzichtet werden, d. h. es ist möglich das Kühlkörperelement 9a mittels der DCB-Technik direkt auf der obersten Keramikschicht 2 zu befestigen.
Die Fig. 8 zeigt als weiter Ausführungsform ein Mehrschicht- Substrat 1b, welches sich von dem Mehrschichtsubstrat 1a im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, daß der Kühlkörper 7b zusätzlich zu dem profilierten Kühlkörperelement 9a, welches bei dieser Ausführungsform direkt auf der obersten Keramik­ schicht 2 mittels des DCB-Verfahrens befestigt ist, ein weiterer Kühlkörperelement 9b aufweist, welche an dem Kühlkörperelement 9a befestigt ist und großflächig vom Kühlkörperelement 9a wegsteht. Das Kühlkörperelement 9b besitzt für diesen Zweck an seiner Unterseite einen profi­ lierten Abschnitt 15, der Nuten und dazwischenliegende Stege aufweist und in die Profilierung der Kühlkörperelemente 9a paßt, so daß ein großflächiger, ineinandergreifender Übergang zwischen den Kühlkörperelementen 9a und 9b erreicht ist. Die Befestigung ist beispielsweise durch einen Wärmeleit-Kleber erzielt. Anstelle hiervon oder zusätzlich hierzu ist auch eine Schraubverbindung zwischen den Kühlkörperelement 9a und 9b möglich.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste
1, 1a, 1b Mehrschicht-Substrat
2 Keramikschicht
3 Metallisierung
4 Ausnehmung
5 Anschlüsse
6 Halbleiter-Chip
7, 7a, 7b Kühlkörper
8 Kupferschicht
9, 9a, 9b profiliertes Kühlkörperelement
10 Schlitz
11 Fläche
12 Durchkontaktierung
13 Kontaktierung
14 Vorsprung
15 Abschnitt

Claims (14)

1. Mehrschicht-Substrat bestehend aus wenigstens zwei, jeweils wenigstens eine Metallisierung (3) aufweisenden Keramikschichten (2), die zusammen mit den Metallisier­ ungen (3) zu einer Schichtfolge miteinander verbunden sind, wobei die Metallisierungen (3) aus wenigstens einem Metall oder einer Metallegierung mit einem Schmelzpunkt bestehen, der höher ist als der Schmelzpunkt von Kupfer, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrschicht-Substrat wenigstens eine Ausnehmung (4) aufweist, die zu der dem Kühlkörper (7, 7a, 7b) abgewandten anderen Oberflächen­ seite des Mehrschicht-Substrates (1, 1a, 1b) hin offen ist, und daß auf einer von einer Keramikschicht (2) ge­ bildeten Oberflächenseite des Mehrschicht-Substrates (1, 1a, 1b) wenigstens ein Kühlkörper (7, 7a, 7b) aus Kupfer oder eine Kupferlegierung mittels der DCB-Technik nach dem Herstellen des Mehrschicht-Substrates befestigt ist.
2. Mehrschicht-Substrat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kühlkörper (7, 7a, 7b) wenigstens ein profiliertes Kühlkörperelement (9, 9a, 9b) aufweist.
3. Mehrschicht-Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschichten (2) aus einer Aluminium-Oxid-Keramik, vorzugsweise aus einer Aluminium-Oxid-Keramik mit einem Anteil an Eisen-, Mangan-, und/oder Molybdän-Oxid bestehen.
4. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikschichten (2) aus einer Aluminium-Nitrid-Keramik, vorzugsweise aus einer Aluminium-Nitrid-Keramik mit einem Anteil an Eisen-, Mangan-, und/oder Molybdän-Oxid bestehen.
5. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierungen (3) aus Molybdän, Wolfram, Platin und/oder Paladium oder aus einer Legierung hergestellt sind, die wenigstens zwei der vorgenannten Metalle enthält.
6. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallisierung (3) durch Drucktechnik hergestellt ist.
7. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (7, 7a, 7b) wenigstens aus einer flächig auf der einen Oberflächen­ seite des Mehrschicht-Substrates (1, 1a, 1b) befestigten Schicht aus Kupfer oder aus der Kupferlegierung sowie aus dem auf dieser Schicht befestigten, wenigstens einen Kühlkörperelement (9) aus Kupfer oder aus der Kupfer­ legierung besteht.
8. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörperelement (9) eine wellenförmige, dreieckförmige, rechteckförmige oder trapezförmige Profilierung aufweist.
9. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörperelement (9) im Bereich seiner vom Mehrschicht-Substrat (1, 1a, 1b) beabstandeten Profilabschnitte Öffnungen, vorzugsweise Schlitze (10) aufweist.
10. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Kühl­ körper (7, 7a, 7b) der Ausnehmung (4) gegenüberliegend vorgesehen ist.
11. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß an der einen Oberflächenseite des Mehrschicht-Substrates (1, 1a, 1b) seitlich vom Kühlkörper (7, 7a, 7b) eine von dem Mehrschicht-Substrat bzw. von einer Keramikschicht (2) oder einer Metallisie­ rung (3) gebildete ebene Fläche (11) vorgesehen ist.
12. Mehrschicht-Substrat nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ebene Fläche (11) wenigstens beidseitig von dem wenigstens einem Kühlkörper (7, 7a, 7b) gebildet ist, vorzugsweise den Kühlkörper (7, 7a, 7b) umschließt.
13. Mehrschicht-Substrat an einen der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlkörperelement (9a) eine Profilierung in Form von Vorsprüngen, beispielsweise in Form von quaderförmigen, pyramidenförmigen, zapfen­ förmigen oder noppenartigen Vorsprüngen (14) aufweist, die über die den Keramikschichten (2) abgewandte Ober­ flächenseite des Kühlkörperelementes (9a) wegstehen.
14. Mehrschicht-Substrat nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, das an dem Kühlkörperelement (9a) ein weiteres Kühlkörperelement (9b) befestigt ist.
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