DE19527611B4

DE19527611B4 - Verfahren zum Herstellen eines Substrats für elektrische Schaltkreise

Info

Publication number: DE19527611B4
Application number: DE1995127611
Authority: DE
Inventors: Juergen Schulz-Harder; Peter H Maier
Original assignee: Schulz-Harder, Jürgen, Dr.-Ing.; Maier, Peter H., Dipl.-Kaufm.
Current assignee: Electrovac AG
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2015-07-29
Also published as: DE19527611A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Substrates (1) für elektrische Schaltkreise, insbesondere elektrische Halbleiter-Schaltkreise, bestehend aus folgenden Verfahrensschritten:
– Direct-Copper-Bonden wenigstens einer von einer ersten Metallfolie gebildeten ersten Metallisierung (3) auf wenigstens eine Keramikschicht (2) eines Substrates (1);
– Auflegen zumindest eines aus einer zweiten Metallfolie gebildeten einstückigen Zuschnitts mit Stegen (8), die über wenigstens einen Längssteg (6) aus der zweiten Metallfolie miteinander verbunden sind, mit diesen Stegen (8) auf die erste Metallisierung (3) derart, dass die Stege (8) über die Ränder der Keramikschicht (2) und der ersten Metallisierung (3) überstehen;
– Verbinden des Zuschnittes mit der ersten Metallisierung (3) in Teilbereichen (10, 10a) der auf der ersten Metallisierung (3) aufliegenden Teile der Stege (8) durch Laser-Bonden und
– Abtrennen der Stege (8) von dem Längssteg (6) zur Bildung einer zweiten Metallisierung (4) in Form von Anschlüssen (4), die vom Substrat (1) wegstehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Substrates für elektrische Schaltkreise, insbesondere elektrische Halbleiter-Schaltkreise.

Aus der US 3 994 430 ist die Herstellung von Metall-Keramik-Verbindungen und insbesondere auch von Metall-Keramik-Substraten bekannt, bei denen auf eine Keramik-Schicht mit Hilfe der so genannten DCB-Technik eine Metallfolie, beispielsweise eine Kupferfolie flächig befestigt wird.

Weiterhin ist es z.B. aus IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 32, Nr. 10B (März 1990), S. 67–68 bekannt, Verbindungen zwischen metallischen Bauteilen durch Laser-Bonden oder Laser-Schweißen herzustellen, insbesondere auch Verbindungen zwischen Anschlüssen von Halbleiter-Bauelementen und auf dem Halbleiter-Chip vorgesehenen Metallisierungen.

Bekannt ist weiterhin auch die Verwendung von Laser-Bonden bei geringen Materialstärken in Automatisierungsprozessen, siehe Technische Rundschau, Heft 41, 1991, Seiten 56–62.

Bekannt ist es insbesondere auch, an mittels der DCB-Technik auf eine Keramik-Schicht aufgebrachten Metallisierungen durch Löten weitere Metall-Elemente, beispielsweise Anschlüsse zu befestigen. Abgesehen von einem aufwendigen Verfahren besteht die Gefahr, dass sich in der Keramik-Schicht durch die starke thermische Belastung beim Löten Reste bilden, die das hergestellte Substrat bzw. das unter Verwendung dieses Substrates hergestellte Bauteil unbrauchbar machen.

Bekannt ist speziell auch, eine unter Verwendung der DCB-Technik hergestellte strukturierte Metallisierung aus einer Metallfolie über die Ränder der Keramikschicht überstehen zu lassen, so dass daraus Anschlüsse gebildet werden, siehe MAIER, P.H. u.a. in PCIM Europe, Nov./Dec. 1993, S 292–296.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit welchem in vereinfachter Weise und mit hoher Zuverlässigkeit die Herstellung eines Substrates für elektrische Schaltkreise mit über das Substrat vorstehenden Anschlüssen möglich ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.

Bei der Erfindung wird die Verbindung zwischen der ersten Metallisierung und der Keramikschicht mittels der DCB-Technik hergestellt, wobei diese Verbindung unmittelbar durch das Metall der ersten Metallisierung und im Wesentlichen ohne Zwischenschicht zwischen der Keramik und dieser ersten Metallisierung hergestellt wird. Die Verbindung zwischen der ersten Metallisierung und der zweiten Metallisierung wird durch Laser-Bonden erzeugt mit dem Vorteil, dass bei diesem Laser-Bonden im wesentlichen nur eine punktförmige Erhitzung erfolgt und hierdurch thermische Ausdehnungen insbesondere auch der zweiten Metallisierung in so engen Grenzen gehalten werden, dass Reste in der Keramik-Schicht, die durch thermische Belastung auftreten könnten, d.h. insbesondere auch durch den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik-Schicht und der zweiten Metallisierung, vermieden sind.

Gemäß der Erfindung werden die äußeren elektrischen Anschlüsse jeweils von einem Steg eines Lead-Frames gebildet, der durch Stanzen und/oder Ätzen aus der Metallfolie hergestellt ist. Der Lead Frame wird dann so auf das jeweilige Substrat aufgelegt, dass das freie Ende des Steges auf der Keramikschicht oder einer auf dieser Keramikschicht aufgebrachte zusätzliche Metallisierung aufliegt. Anschließend erfolgt das Laser-Bonden. Nach dem Laser-Bonden wird der jeweilige Steg vom Lead-Frame abgetrennt.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 und 2 in vereinfachter Teildarstellung und in Draufsicht bzw. in Seitenansicht eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäß hergestellten Substrates;
3 und 4 in Teildarstellung und in Draufsicht sowie in Seitenansicht das Substrat der 1 und 2 bei der Herstellung;
5 in perspektivischer Teildarstellung eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäß hergestellten Substrates;
6 in Detaildarstellung und in Seitenansicht eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäß hergestellten Substrates;
7 und 8 in Teildarstellung und in Draufsicht sowie in Seitenansicht eine Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäß hergestellten Substrates.
Das in den 1 und 2 dargestellte Substrat 1 besteht aus einer Keramikschicht 2, beispielsweise Aluminiumoxid-Keramik oder Aluminiumnitrid-Keramik. Auf einer Oberflächenseite der Keramikschicht 2 ist eine von einer Kupferfolie gebildete Metallisierung 3 flächig aufgebracht, und zwar unter Verwendung des DCB-Verfahrens (Direct-Copper-Bonding-Verfahren), welches dem Fachmann bekannt ist und bei welchem die flächige Verbindung zwischen der Keramikschicht 2 und der Metallisierung dadurch erreicht wird, dass die Kupferfolie an ihren Oberflächenseiten oxidiert ist und die Kupferoxidschicht dann ein Eutektikum mit einer Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur des Kupfers bildet, so dass durch Auflegen der Kupferfolie auf die Keramikschicht 2 und durch Erhitzen die Schichten miteinander verbunden werden, und zwar durch Aufschmelzen des Kupfers im wesentlichen nur im Bereich der Kupferoxidschicht.
Auf der der Keramikschicht 2 zugewandten Oberflächenseite der Metallisierung 3 ist eine weitere Metallisierung 4 befestigt, die ebenfalls von einem Zuschnitt aus einem Flachmaterial gebildet ist und mit einem Teilbereich 4' über den Rand der Keramikschicht 2 und der Metallisierung 3 wegsteht und mit einem Teilbereich 4'' auf der Metallisierung 3 flächig aufliegt. Die Metallisierung 4 bildet mit dem Teilbereich 4' beispielsweise einen seitlich von dem Substrat 1 wegstehenden elektrischen Anschluss.
Das Herstellen des Substrates 1 erfolgt mit einem Verfahren, wie es in den 3 und 4 angedeutet ist. Zunächst wird die Keramikschicht 2 in der vorstehend bereits beschriebenen Weise mit der Metallisierung 3 z.B. an einer Oberflächenseite ganzflächig versehen.
In einem nächstfolgenden Verfahrensschritt wird auf die Metallisierung 3 ein Lead-Frame 5 aufgelegt. Dieser beispielsweise durch Stanzen und/oder Ätzen aus einer Metallfolie hergestellte Lead-Frame 5 besteht aus zwei parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordneten und sich in Längsrichtung des bandförmigen Lead-Frames 5 erstreckenden Abschnitten 6, die in vorgegebenen Abständen jeweils durch Querstege 7 miteinander verbunden sind. Zwischen den Querstegen 7 sind jeweils ebenfalls in Querrichtung verlaufende und über die inneren Ränder der Abschnitte 6 wegstehende Stege 8 vorgesehen, die allerdings nicht durchgehend ausgeführt sind.
Der Lead-Frame 5 wird so auf die jeweilige mit der Metallisierung 3 versehene Keramikschicht 2 aufgelegt, so das der jeweilige Steg 8 mit seinem freien Ende auf der Metallisierung 3 aufliegt, und zwar dort, wo die Metallisierung 4 befestigt werden soll.
Anschließend wird mit einem Laserstrahl 9 der jeweilige Steg 8 an seinem freien, auf der Metallisierung 3 aufliegenden Ende partiell, d.h. bei 10 erhitzt, so dass durch Aufschmelzen der Kupferoxidschicht der Metallisierung 3 und/oder einer entsprechenden Oxidschicht des Lead-Frames 5 unter Anwendung des DCB-Prozesses eine metallische Verbindung zwischen dem jeweiligen Steg 8 und der Metallisierung 3 erfolgt. Grundsätzlich ist es auch möglich, diese Verbindung unter Verwendung eines Aktivlotes herzustellen und/oder als Laserschweißpunkt-Verbindung auszubilden. Zur Erzielung der notwendigen mechanischen Festigkeit kann es notwendig sein, mehrere Verbindungsbereiche 10 zu schaffen, wofür der pulsierende Laserstrahl 9 entsprechend bewegt wird.
Nach dem Verbinden des jeweiligen Steges mit der Metallisierung 3 erfolgt in einem weiteren Verfahrensschritt das Abtrennen der Stege 8 von dem übrigen Lead-Frame 5 an den in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten 6, wie dies in der 3 mit der unterbrochenen Linie 11 angedeutet ist. Nach dem Abtrennen bilden die Stege 8 jeweils eine Metallisierung 4.
Abweichend von der in der 1 und 2 wiedergegebenen Ausführungsform kann auch zumindest eine Metallisierung 4a nach oben aufgebogen sein, wie dies mit unterbrochenen Linien in der 2 für die Metallisierung 4a angedeutet ist, die dann mit dem Teilbereich 4a' über die Oberseite des Substrates 1 vorsteht und mit dem Teilbereich 4a'' an diesem befestigt ist. Um eine definierte Biegelinie zu erreichen, sind in die Metallisierung 4a bzw. in die diese Metallisierung bildenden Stege 8 des Lead-Frames 5 an der Ober- und Unterseite Einkerbungen 12 eingeformt bzw. eingeprägt.
Bei dem in den 3 und 4 dargestellte Verfahren wirkt der Laserstrahl 9 senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht auf die Oberseite des jeweiligen Steges 8 ein.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Verbindung zwischen dem jeweiligen Steg 8 und der Metallisierung 3 dadurch herzustellen, dass der jeweilige Laserstrahl 9 flach auf das Ende des Steges 8 auftrifft, und zwar dort, wo dieser Steg auf der Metallisierung 3 aufliegt, wie dies an den Bereichen 10a der 5 angedeutet ist.
Die Keramikschicht weist eine Dicke von 0,2–2,5 mm und die Metallisierungen 3 und 4 besitzen jeweils eine Dicke von 0,1–1 mm. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass anstelle des Lead-Frames 5 mit den beiden Längsabschnitten 6 ein „Lead-Frame" verwendet wird, der nur einen Längsabschnitt 6 aufweist, von dem dann seitlich die Stege 8 kammerartig wegstehen.
Weiterhin ist es auch möglich, dass zur Herstellung der Metallisierungen 4 einzelne Zuschnitte aus einer Metallfolie verwendet werden, die dann nach Positionierung unter Anwendung des Laserstrahls 9 mit der Metallisierung 3 verbunden werden.
Die 6 zeigt ein Substrat 1a, welche dem Substrat 1 mit der aufgebogenen Metallisierung 4a ähnlich ist, wobei die aufgebogene Metallisierung 4a bei dem Substrat 1a allerdings einen größeren Abstand von dem Rand der Keramikschicht aufweist, d.h. mehr zur Mitte der Keramikschicht hin versetzt ist. Weiterhin weist das Substrat 1a auch auf der Unterseite der Keramikschicht 2 eine Metallisierung auf (nicht dargestellt.
Auf dem gegen die obere Metallisierung 3 anliegenden Schenkel 4a'', der mit der oberen Metallisierung 3 verbunden ist, ist ein Halbleiter-Leistungsbauelement oder -Chip 13 aufgelötet.
Die 7 und 8 zeigen ein nicht erfindungsgemäß hergestelltes Substrat 1b, welches sich von den Substraten 1 und 1a dadurch unterscheidet, dass die der Metallisierung bzw. dem Lead 4 entsprechende Metallisierung 4b mit dem Abschnitt 4b'' unmittelbar auf der Oberseite der Keramikschicht 2 befestigt ist, und zwar wiederum unter Verwendung des Laserstrahls 9 durch eine Aktiv-Lot-Verbindung oder bevorzugt durch eine DCB-Verbindung zwischen der Metallisierung 4b und dem Keramikmaterial der Keramikschicht 2. Im letzten Fall ist das die Metallisierung 4b bildende Material an den Oberflächen oxidiert. In den Bereichen, in denen dieses Material auf der Keramikschicht 2 aufliegt und durch den Laserstrahl 9 erhitzt wird, erfolgt dann die Verbindung zwischen beiden Materialien, wie dies in den Bereichen 10b angedeutet ist.
Mit 14 ist eine weitere Metallisierung bezeichnet, auf die dann ein Halbleiter-Leistungsbauelement oder -Chip aufgelötet werden kann. Die Metallisierung 14 kann beispielsweise auch in Dickfilm-Technik hergestellt sein.

1, 1a, 1b: Substrat
2: Keramikschicht
3: Metallisierung
4, 4a, 4b: Lead bzw. Metallisierung
4', 4'': Bereich
4a', 4a'': Bereich
4b', 4b'': Bereich
5: Lead-Frame
6: Längsabschnitt
7: Quersteg
8: Steg
9: Laserstrahl
10, 10a, 10b: Verbindungsbereich
11: Linie
12: Einkerbung oder Einprägung
13: Halbleiter-Chip
14: Metallisierung

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Substrates (1) für elektrische Schaltkreise, insbesondere elektrische Halbleiter-Schaltkreise, bestehend aus folgenden Verfahrensschritten: – Direct-Copper-Bonden wenigstens einer von einer ersten Metallfolie gebildeten ersten Metallisierung (3) auf wenigstens eine Keramikschicht (2) eines Substrates (1); – Auflegen zumindest eines aus einer zweiten Metallfolie gebildeten einstückigen Zuschnitts mit Stegen (8), die über wenigstens einen Längssteg (6) aus der zweiten Metallfolie miteinander verbunden sind, mit diesen Stegen (8) auf die erste Metallisierung (3) derart, dass die Stege (8) über die Ränder der Keramikschicht (2) und der ersten Metallisierung (3) überstehen; – Verbinden des Zuschnittes mit der ersten Metallisierung (3) in Teilbereichen (10, 10a) der auf der ersten Metallisierung (3) aufliegenden Teile der Stege (8) durch Laser-Bonden und – Abtrennen der Stege (8) von dem Längssteg (6) zur Bildung einer zweiten Metallisierung (4) in Form von Anschlüssen (4), die vom Substrat (1) wegstehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Zuschnitt (8) abgetrennten Anschlüsse (4) aufgebogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der einstückige Zuschnitt ein Lead-Frame (5) ist.