DE10340705B4

DE10340705B4 - Metallkernleiterplatte und Verfahren zum Herstellen einer solchen Metallkernleiterplatte

Info

Publication number: DE10340705B4
Application number: DE2003140705
Authority: DE
Inventors: Helmut Schlenker
Original assignee: Fela Hilzinger Leiterplat GmbH; Fela Hilzinger Leiterplattentechnik GmbH
Current assignee: FELA GMBH, DE
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: DE10340705A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Metallkernleiterplatten (1) durch
Aufdrucken mittels Siebdruck einer ganzflächigen oder mind. mit einer Aussparung (4) versehenen polymeren Isolierschicht (3) auf einen Metallträger (2), wobei die ganzflächig aufgetragene Isolierschicht (3) nachträglich unter Ausbildung einer Aussparung (4) strukturiert wird,
thermisches Teilhärten der Isolierschicht (3) bei Verbindungstemperaturen (TV) von 50°C bis 100°C,
ganzflächiges Auflaminieren mittels Rollen einer Leiterschicht (7) bei Temperaturen (TW) von 100°C bis 150°C, Laminierdrücken (pW) von 2·10⁵ Pa bis 5·10⁵ Pa und Laminiergeschwindigkeiten (v) von 0,1 m/min bis 10 m/min unter Ausbildung einer definierten kontinuierlich verlaufenden Kantenstruktur an den Rändern der Aussparung und
Strukturieren der aufgebrachten Leiterschicht (7) unter Freilegung der Aussparungen (4).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Metallkernleiterplatte, auf eine Metallkernleiterplatte bzw. auf die Verwendung eines bestimmten Materials als Haftschicht beim Durchführen eines solchen Verfahrens.
Aus DE 41 18 397 A1 ist eine mit Halbleiterbauelementen bestückte Metallkernleiterplatte bekannt, welche einen Metallträger als Leiterplattenkern, eine isolierende Haftschicht auf dem Metallträger und eine Leiterschicht auf der isolierenden Haftschicht aufweist, wobei die isolierende Haftschicht den Metallträger und die Leiterschicht fest miteinander verbindet. Durch die Leiterschicht und die isolierende Haftschicht führt eine kantige Aussparung bis zum Metallträger hindurch. Im Bereich der Aussparung ist ein Halbleiterbauelement auf dem Metallträger aufgesetzt, um im Halbleiterbauelement erzeugte Wärme über den Metallträger abführen zu können.
Allgemein bekannt ist die Fertigung einer solchen Leiterplatte durch das Aufbringen einer isolierenden Haftschicht auf einen als Leiterplattenkern dienenden Metallträger und das anschließende Aufsetzen einer Leiterschicht, deren Unterseite ebenfalls eine solche isolierende Haftschicht trägt, auf die isolierende Haftschicht, wobei die Verbindung unter Einsatz von Wärme erfolgt. Bekannt ist auch das Aufsetzen der Leiterschicht auf die Haftschicht unter Verwendung eines Laminierverfahrens, wobei der Metallträger mit der aufgebrachten Haftschicht unter Zuführung einer unterseitig beschichteten Metallfolie als Leiterschicht zwischen zwei Walzen hindurchgeführt wird.
Bei der Fertigung einer solchen Anordnung wird gemäß DE 41 18 397 A1 nach dem Fertigstellen der mehrschichtigen Leiterplatte die isolierende Schicht im Bereich der gewünschten Aussparung ausgefräst. Allgemein bekannt ist auch das nachträgliche Wegätzen der Schichten oberhalb des Metallträgers zur Ausbildung einer solchen Aussparung. Erkennbar sind derartige Leiterplatten im Querschnitt an scharfkantigen Konturen der Aussparung, welche im Wesentlichen von der Oberfläche der Leiterplatte bis zur Oberfläche des Metallträgers geradlinig und senkrecht zu den Oberflächen verlaufen.
Als Stand der Technik werden weiterhin die DE 40 06 063 A1 , die DE 36 40 952 A1 und die DE 30 32 744 A1 genannt.
Die DE 30 32 744 A1 offenbart als besonderes Material für einen Film zur Beschichtung einer thermisch gut leitenden Metallplatte eine Dispersion von Metalloxidteilchen in einem organisch polymeren Klebstoff.
Die DE 36 40 952 beschreibt ein Substrat zum Auftragen von Schaltstrukturen auf ein flächig ausgebildetes Bauelement, insbesondere eine Aluminiumplatte.
Die DE 40 06 063 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte, wobei mittels eines Lasers und einer Maske ein Teil einer mit einer Substratschicht vereinigten Metallschicht freigelegt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Leiterplatte mit einem Metallträger als Leiterplattenkern sowie eine Metallkernleiterplatte anzugeben, bei welchem Aussparungen in der Metallkernleiterplatte eine verbesserte Kontur aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Metallkernleiterplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine Metallkernleiterplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Verfahrensgemäß wird zum Herstellen einer Metallkernleiterplatte von den Verfahrensschritten des Aufbringens einer polymeren Isolierschicht auf einen als Leiterplattenkern dienenden Metallträger und des anschließenden Aufsetzens einer Leiterschicht auf die polymere Isolierschicht ausgegangen, wobei die Verbindung unter Einsatz von Wärme, welche entsprechend zugeführt wird, erfolgt. Das Aufbringen der polymeren Isolierschicht erfolgt gemäß der bevorzugten Ausführungsform vor dem Aufsetzen der Leiterschicht unter Ausbildung mindestens einer Aussparung in der Isolierschicht, so dass die Isolierschicht strukturiert auf den Metallträger aufgebracht wird. Möglich ist auch das Strukturieren nach dem Aufbringen der Isolierschicht. Außerdem erfolgt der Verfahrensablauf, d. h. das Aufbringen der Isolierschicht und das Aufsetzen der Leiterschicht unter zeitlichen und thermischen Parametern, wobei ein Randbereich der Isolierschicht zu der Aussparung hin verläuft, also einen hinsichtlich der Kontur fließenden Übergang ausbildet. Unter dem Randbereich der Isolierschicht zu der Aussparung ist insbesondere der Bereich der Isolierschicht zwischen dem Randbereich der aufgesetzten Leiterschicht zur Aussparung hin und dem Übergangsbereich der Isolierschicht zu dem Metallträger zu verstehen. Bei der Verwendung von Harz als Isolierschicht hat sich eine bevorzugte Verbindungstemperatur des Isolierschichtmaterials von etwa 50°C–100°C, vorzugsweise von 70°C–75°C, als besonders vorteilhaft erwiesen. Als Temperatur hat sich bei Verwendung einer Kupferfolie als Leiterschicht eine Temperatur für Laminierwalzen in einem geeignet gewählten Temperaturbereich von 100°C–150°C, vorzugsweise 130°C–140°C, insbesondere ca. 135°C, als besonders vorteilhaft erwiesen. Das Aufsetzen der Leiterschicht erfolgt gemäß erster Versuche vorzugsweise unter einem geeignet gewählten Laminierdruck von etwa 2·10⁵ Pa–5·10⁵ Pa, vorzugsweise ca. 4·10⁵ Pa. Die Laminiergeschwindigkeit beim Aufsetzen der Leiterschicht, beispielsweise beim Laminieren und Durchführen zwischen zwei Laminier walzen von einer Seite der Leiterplattenkante bzw. Isolierschicht ausgehend zur gegenüberliegenden Seite hin, wird langsam gewählt und beträgt gemäß erster Versuche vorzugsweise etwa 2–10 m/min., besonders bevorzugt ca. 0,5 m/min.
Vorrichtungsgemäß entsteht somit eine Metallkernleiterplatte, welche einen Metallträger als Leiterplattenkern, eine polymere Isolierschicht auf dem Metallträger, eine Leiterschicht auf der Isolierschicht, wobei die Isolierschicht den Metallträger und die Leiterschicht fest miteinander verbindet, und eine Aussparung durch die Leiterschicht und die Isolierschicht hindurch zum Metallträger aufweist. Verfahrensbedingt ist die Metallkernleiterplatte dabei so ausgebildet, dass die Isolierschicht vom Bereich eines Randes der Leiterschicht zur Aussparung einerseits und andererseits vom Übergangsbereich zwischen Isolierschicht und dem Metallträger eine fließende Verlaufskontur aufweist. Für die Anwendung des Verfahrens bietet sich als Isolierschicht insbesondere Harz, vorzugsweise Harz mit Keramikanteilen an.
Als Metallträger wird vorzugsweise ein Trägermaterial aus Kupfer oder Aluminium verwendet, welches mit Blick auf die Wärmeabführung von einem in die Aussparung eingesetzten Halbleiterbauelement besonders gut geeignet ist.
Als Leiterschicht wird vorzugsweise eine Leiterplatte oder Leiterfolie verwendet, wobei als Material dafür Kupfer bevorzugt wird. Vor dem Aufsetzen der Leiterschicht auf die Isolierschicht ist es zur Erhöhung der Haftung besonders vorteilhaft, wenn von der Leiterschicht deren Seite, die nach dem Aufsetzen der Isolierschicht zugewandt ist, rau ist oder aufgeraut wird. Das Aufrauen kann dabei gemäß besonders bevorzugter Verfahrensweise auf mechanischem oder chemischem Wege durchgeführt werden.
Die polymere Isolierschicht wird vorteilhafterweise mittels eines Siebdruckverfahrens strukturiert aufgebracht, wobei sich gemäß erster Versuche eine sehr langsame Rakelgeschwindigkeit von 0,2–0,7 m/min, vorzugsweise von ca. 0,5 m/min als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Jedoch sind auch Rakelgeschwindigkeiten außerhalb dieser besonders bevorzugten Geschwindigkeitswerte einsetzbar.
Besonders vorteilhaft erweist sich gemäß erster Versuche das gezielte zeitliche und thermische Verarbeiten der Schicht nach deren Aufbringen auf den Metallträger und vor dem Aufsetzen der Leiterschicht in einer Art und Weise, dass die Isolierschicht vor dem Aufsetzen der Leiterschicht bereits teilweise ausgehärtet ist, wobei das Aushärten so weit erfolgt, dass die Leiterschicht beim Aufsetzen noch haftet. Entsprechend wird die Isolierschicht nicht vollständig ausgehärtet, wie dies für sich genommen bekannt wäre. Als besonders vorteilhaft hat sich eine sogenannte handtrockene Aushärtung als geeignet erwiesen.
Die Leiterschicht wird vorzugsweise durch Auflaminieren auf die Isolierschicht aufgesetzt, wobei die Leiterschicht beim Aufsetzen auf eine geeignete Temperatur gebracht wird. Das Aufheizen kann durch entsprechend höheres Erhitzen von Andruckrollen und dgl. indirekt erfolgen, welche die Metallkernleiterplatte auf die Isolierschicht aufpressen. Eine Metallkernleiterplatte mit einer entsprechenden Aussparung kann vorteilhaft zum Aufsetzen eines Schaltungselements, z. B. Halbleiterbauelements, verwendet werden, da die Wärme des Schaltungselements über den Metallträger gut abgeführt werden kann.
Neben den vorstehend als bereits besonders bevorzugt erkannten Parameterbereichen hinsichtlich Temperaturen, Drücken und Geschwindigkeiten liegt eine Anwendung mit Parameterwerten außerhalb dieser Bereiche, insbesondere bei Verwendung anderer als der bislang getesteten Materialien, im Bereich des Durchführbaren.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Teilschnittdarstellung durch eine Metallkernleiterplatte während deren Fertigung zu Beginn eines Laminiervorgangs zum Aufsetzen einer Leiterschicht auf eine Isolierschicht;
2 einen Schnitt durch die Metallkernleiterplatte nach dem Laminiervorgang; und
3 einen Schnitt durch die mit einer Aussparung endbearbeitete Metallkernleiterplatte, wobei in der Aussparung ein Halbleiterbauelement eingesetzt ist.
Wie dies aus 1 ersichtlich ist, ist ein Zwischenschritt der Fertigung einer Metallkernleiterplatte 1 dargestellt, wobei der Metallkern durch einen Metallträger 2 ausgebildet wird, welcher als Leiterplattenkern dient. Gemäß bevorzugter Ausführungsformen besteht der Metallträger aus Kupfer oder Aluminium. Auch andere geeignete Materialien sind verwendbar.
In einem ersten Verfahrensschritt wird auf den Metallträger 2 eine polymere Isolierschicht 3 aufgebracht und dabei oder ggf. nachfolgend strukturiert. Das Aufbringen der Isolierschicht 3 erfolgt bevorzugt mittels eines Siebdruckverfahrens, wobei eine Strukturierung vorgenommen wird. Gemäß erster Versuche hat sich für das Siebdruckverfahren eine langsame Rakelgeschwindigkeit von vorzugsweise ca. 0,5 m/min als vorteilhaft erwiesen.
Beim strukturierten Aufbringen der polymeren Isolierschicht werden eine oder mehrere Aussparungen 4 je nach Bedarf in der Isolierschicht 3 ausgebildet. Im Bereich der dargestellten Aussparung 4 bleibt somit die Oberfläche des Metallträgers 2 frei von dem Material der Isolierschicht 3. Der Randbereich zwischen dem Material der Isolierschicht 3 und der Aussparung 4 wird dabei durch einen Übergangsbereich von einem oberen Punkt bzw. Rand 5a, bis zu dem die Isolierschicht 3 kontinuierlich eben verläuft, und durch einen unteren Punkt bzw. Rand 5b definiert, welcher den Übergangspunkt des Materials der Isolierschicht 3 zu dem Metallträger 2 bildet, ab dem die isolierschichtfreie Aussparung 4 beginnt. Bei bekannten Ausführungsformen wird dieser Übergangsbereich 5a, 5b durch eine relativ zu den Oberflächen der Isolierschicht 3 und des Metallträgers 2 senkrechte oder nahezu senkrechte Wandung mit winkligen Übergängen im Bereich der beiden Übergangspunkte 5a, 5b ausgebildet. Je nach Ausgestaltung des strukturiert auftragenden Siebdruckverfahrens wird beim Schritt des Aufbringens der Isolierschicht 3 bereits eine Abrundung des Materialverlaufs im Bereich der Übergangspunkte 5a, 5b vorgenommen, so dass ein relativ zur senkrechten Wandung fließender, d. h. insbesondere kantenfreier Konturverlauf ausgebildet wird.
Sofern das Material der aufgebrachten polymeren Isolierschicht 3 noch zu kalt und/oder zu wenig ausgehärtet ist, wird es einem Trocken- bzw. Aushärtungsprozess unterzogen. Zur Aushärtung wird die Anordnung aus dem Metallträger 2 mit der Isolierschicht 3 vorzugsweise in den Bereich einer Heizeinrichtung 6 geführt, welche das Material der Isolierschicht 3 aufheizt. Vor dem Aufsetzen einer Leiterschicht 7 wird die Isolierschicht 3 so weit, d. h. nur teilweise ausgehärtet, dass die Leiterschicht 7 beim Aufsetzen noch an der Isolierschicht 3 haften kann. Die Isolierschicht 3 wird somit nicht vollständig ausgehärtet sondern vorzugsweise bis zu einem sogenannten handtrockenen Zustand ausgehärtet. Dabei wird sie mittels der Heizeinrichtung 6 auf eine geeignete Verbindungstemperatur TV gebracht, die sich gemäß erster Versuche vorzugsweise in einem Temperaturbereich von 70°C–100°C, besonders bevorzugt 70°C–75°C, befindet.
Die Leiterschicht 7 wird vorzugsweise als Leiterplatte oder Leiterfolie aus Kupfer oder ähnlichem geeigneten Material bereitgestellt. Vor dem Aufsetzen der Leiterschicht 7 auf die polymere Isolierschicht 3 wird die Seite der Leiterschicht 7, welche der Isolierschicht 3 beim bzw. nach dem Aufsetzen zugewandt ist, aufgeraut, sofern sie nicht bereits geeignet rau ist. Das Aufrauen kann in für sich bekannter Art und Weise chemisch oder mechanisch erfolgen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Aufsetzen der Leiterschicht 7 durch das Zuführen der Leiterschicht 7 von einer Folienrolle 8 zu einer Laminiereinrichtung, von der in 1 lediglich zwei Laminierwalzen 9 dargestellt sind. Die Kupferschicht 7 wird dabei mit Hilfe der Laminierwalzen 9 mit einem Laminierdruck pW auf die Isolierschicht 3 aufgepresst. Erste Versuche mit einem Laminierdruck pW von etwa 2–5 bar, vorzugsweise ca. 4 bar, zeigten vorteilhafte Ergebnisse. Das Durchführen der Anordnung aus Metallträger 2, Isolierschicht 3 und der darauf aufzubringenden Leiterschicht 7 durch die Laminierwalzen 9 erfolgte bei ersten Versuchen mit einer Geschwindigkeit von 0,1–10 m/min, wobei sich ein Wert von 0,5 m/min als besonders vorteilhaft erwies. Zum Aufsetzen oder Auflaminieren wird die Leiterschicht 7 erwärmt, wobei dies vorzugsweise durch eine Aufheizung der Laminierwalzen 9 auf eine Temperatur TW erfolgt. Die bei ersten Versuchen verwendete Temperatur TW der Laminierwalzen 9 hatte Werte im Bereich von 100°C–150°C, wobei sich Temperaturwerte TW im Bereich von 135°C als besonders vorteilhaft erwiesen.
Der Vorgang des Aufbringens der Isolierschicht 3 auf den Metallträger 2 sowie des Aufsetzens der Leiterschicht 7 auf die Isolierschicht 3, welche zuvor strukturiert wurde, erfolgt somit unter Einsatz thermischer Energie. Gemäß bevorzugter Ausführungsvarianten erfolgt eine Erwärmung einerseits durch eine Heizeinrichtung 6 zum teilweisen Aushärten der auf den Metallträger 2 aufgebrachten Isolierschicht 3 und andererseits durch das Erwärmen der aufzusetzenden Leiterschicht 7 beim Laminierprozess. Hervorzuheben ist das Strukturieren der Isolierschicht 3 vor dem Aufsetzen der Leiterschicht 7 unter Ausbildung mindestens einer Aussparung 4 in der Isolierschicht 3, wobei das Strukturieren vorteilhafterweise bereits beim Siebdruckprozess vorgenommen wird.
Weiterhin erfolgt der Verfahrensablauf unter einer Vielzahl zeitlicher und thermischer Parameter derart, dass der Übergangs- bzw. Randbereich 5a, 5b der polymeren Isolierschicht 3 zu dem isolierschichtfreien Bereich der Aussparung 4 hin mit einer fließenden Verlaufskontur verläuft bzw. ausgebildet wird. Beschrieben wurde bereits das Ausbilden eines verlaufenden Übergangs des Übergangsbereichs 5a, 5b beim strukturierten Aufbringen der Isolierschicht 3 auf den Metallträger 2. Zusätzlich oder alternativ findet ein Verlaufen des Übergangsbereichs 5a, 5b der Isolierschicht 3 beim Aufsetzen der Leiterschicht 7 auf die Isolierschicht 3 statt. Durch das Aufsetzen unter dem geeigneten Laminierdruck pW und mit der geeigneten Temperatur TW verläuft das Material der Isolierschicht 3 im Übergangsbereich 5a, 5b, wie dies aus 2 ersichtlich ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Verlaufen des Materials der Isolierschicht im Übergangsbereich 5a, 5b auch durch das anschließende bzw. abschließende Vortrocknen und die Endaushärtung bei vorzugsweise 150°C über eine Stunde nach dem Laminieren erfolgen.
Wie aus 3 ersichtlich, werden in nachfolgenden Bearbeitungsschritten eine breitere Aussparung in der aufgesetzten Leiterschicht 7 oberhalb der Aussparung 4 der polymeren Isolierschicht 3 ausgebildet und in die Aussparung 4 ein Halbleiterbauelement 10 als Schaltungselement eingesetzt. Das Halbleiterbauelement 10 wird dabei mit seinem Körper direkt auf dem Metallträger 2 befestigt, so dass im Halbleiterbauelement 10 erzeugte Wärme über den Metallträger 2 abgeführt wird. In für sich bekannter Art und Weise wird das Halbleiterbauelement 10 mit beispielsweise Bond-Drähten 11 mit entsprechenden Bereichen der Leiterschicht 7, welche entsprechend strukturiert ist, elektrisch leitend verbunden. Wie aus der Schnittdarstellung ersichtlich, wird durch den beschriebenen Verfahrensablauf eine Metallkernleiterplatte 1 ausgebildet, welche im Bereich von Aussparungen 4, welche durch die polymere Isolierschicht 3 bis zum Metallträger 2 hindurch führen, eine fließende und/oder schräge Verlaufskontur im Übergangsbereich 5a, 5b der Isolierschicht 3 aufweisen.
Als Material für die Haftschicht wird bevorzugt Harz, insbesondere Harz mit Keramikanteilen, verwendet, um das beschriebene Verfahren durchzuführen bzw. eine Leiterplatte derart zu fertigen.

1: Metallkernleiterplatte
2: Metallträger
3: polymere Isolierschicht
4: Aussparung in 3
5a, 5b: Übergangsbereich von 3 zu 4
6: Heizeinrichtung
TV: Verbindungstemperatur von 3
7: Leiterschicht/Leiterfolie
8: Folienrolle
9: Laminiereinrichtung/Laminierwalzen
TW: Temperatur
pW: Laminierdruck
v: Laminiergeschwindigkeit
10: Halbleiterbauelement
11: Bond-Drähte

Claims

Verfahren zum Herstellen von Metallkernleiterplatten (1) durch Aufdrucken mittels Siebdruck einer ganzflächigen oder mind. mit einer Aussparung (4) versehenen polymeren Isolierschicht (3) auf einen Metallträger (2), wobei die ganzflächig aufgetragene Isolierschicht (3) nachträglich unter Ausbildung einer Aussparung (4) strukturiert wird, thermisches Teilhärten der Isolierschicht (3) bei Verbindungstemperaturen (TV) von 50°C bis 100°C, ganzflächiges Auflaminieren mittels Rollen einer Leiterschicht (7) bei Temperaturen (TW) von 100°C bis 150°C, Laminierdrücken (pW) von 2·10⁵ Pa bis 5·10⁵ Pa und Laminiergeschwindigkeiten (v) von 0,1 m/min bis 10 m/min unter Ausbildung einer definierten kontinuierlich verlaufenden Kantenstruktur an den Rändern der Aussparung und Strukturieren der aufgebrachten Leiterschicht (7) unter Freilegung der Aussparungen (4).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Metallträger (2) ein Trägermaterial aus Kupfer oder Aluminium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem als polymere Isolierschicht (3) Harz mit Keramikanteilen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Material der Leiterschicht (7) Kupfer verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Leiterschicht (7) auf der der polymeren Isolierschicht (3) zugewandten Seite rauh ist oder aufgerauht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die polymere Isolierschicht (3) mittels eines Siebdruckverfahrens strukturiert, insbesondere mit einer Rakelgeschwindigkeit von 0,2–0,7 m/min, vorzugsweise ca. 0,5 m/min, aufgebracht wird.
Metallkernleiterplatte (1) hergestellt nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (4) in einem Übergangsbereich (5a, 5b) von Isolierschicht (3) und Metallträger (2) eine kontinuierlich verlaufende Kantenstruktur aufweist.