DE3501372A1

DE3501372A1 - Substrat fuer leiterplatten

Info

Publication number: DE3501372A1
Application number: DE19853501372
Authority: DE
Inventors: Hermann 6902 Sandhausen Birnbreier
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1985-01-17
Filing date: 1985-01-17
Publication date: 1986-07-17

Description

Substrat für Leiterplatten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Substrat für Leiterplatten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3.
Ein solches Substrat für Leiterplatten ist aus EDN Aug. 23, 1984, Seite 211 bis 215 bekannt.
Leiterplatten bestehen vielfach aus isolierenden Materialien, z.B. aus Kunststoffen, auf die die Leiterbahnen aufgebracht werden. In der Hybridtechnik werden meist Keramiken anstelle von Kunststoffen benutzt.
Ein Nachteil von Kunststoff-Leiterplatten ist die geringe Wärmeleitfähigkeit, weshalb die Verlustwärme nicht gut auf der Leiterplatte verteilt werden kann, so daß insbesondere bei miniaturisierten elektronischen Bauelementen (Chips) die Verlustwärme zu einer Uberhitzung der Bauelemente führt oder die Bauelemente nur unvollständig ausgenutzt werden können. Außerdem haben Kunststoff-Leiterplatten viel größere Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Chips, so daß Probleme beim Einlöten von Chips entstehen (Wärmespannungen).
Keramiken als Substrate haben zwar eine bessere Wärmeleitung als Kunststoffe, sind jedoch spröde und lassen sich nicht so gut handhaben, insbesondere wenn sie großflächig sind (z.B. Europakartenformat). Die Wärmeausdehnung von Keramik ist ähnlich der von Chips.
Es sind ferner Leiterplatten bekannt, die einen metallischen Kern haben (wärmeleitende Funktion) und mit Kunststoff kaschiert sind (elektrisch isolierende Funktion).
Diese sind jedoch Kompromißlösungen, die wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen Metall und Kunststoff einerseits und den Chips andererseits große Wärmespannungen aufweisen.
Zur besseren Anpassung der Ausdehnung an die Chips werden in der END, Aug.23, 1984, Seite 211 bis 215 Kompositmetalle benutzt, die aus einem Eisen-Nickel-Kern bestehen (Invar, geringe Ausdehnung), der mit Kupferblechen (grobe Ausdehnung) platiert ist. Dieser Kompositwerkstoff (Copper cladded invar) hat ähnliche Ausdehnungskoeffizienten wie Chip-Bauelemente und wegen der guten Wärmeleiteigenschaften von Kupfer auch gute Wärmeverteileigenschaften. Zur elektrischen Isolation sind Kunststoffe aufgebracht, die die Wärmeverteilung jedoch wieder herabsetzen.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch isolierendes Substrat für Leiterplatten der eingangs genannten Art anzugeben, das eine gute Wärmeleitfähigkeit und einen den elektronischen Bauelementen (Chips) angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. 3 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Substrat infolge der guten Wärmeleitfähigkeit eine hohe Ausnutzung von elektronischen Bauelementen ermöglicht, ohne daß dies zu einer örtlisehen Uberhitzung am Ort der Verlustwärmeerzeugung führt (gute Wärmespreizung). Der Wärmeausdehnungskoeffizient der aluminiumplatierten Eisen-Nickel-Legierung bzw. des keramische Fasern enthaltenden Aluminiumbleches ist etwa gleich dem der Eloxal-Schichten und etwa gleich dem der elektronischen Bauelemente (Chips). Das Substrat eignet sich auch zur Herstellung größerer Leiterplatten (Europakartenformat), da es mechanisch stabil, insbesondere nicht spröde ist.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Substrates für Leiterplatten mit Durchkontaktierung ist im Anspruch 2 gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine erste Variante des Leiterplatten-Substrats mit einer Eisen-Nickel-Legierung als Kern, Fig. 2 eine zweite Variante des Leiterplatten-Substrats mit einem Aluminiumblech als Kern.
In Fig. 1 ist ein Substrat für eine Leiterplatte mit einer Durchkontaktierung im Schnitt dargestellt. Das Substrat für die Leiterplatte ist aus fünf Schichten in symmetrischer Form aufgebaut. Als Kern des Substrats dient eine Eisen-Nickel-Legierung 1 (Invar). Die beiden Oberflächen der Eisen-Nickel-Legierung 1 sind mit Alumi- niumfolien 2, 3 platiert. Der so geschaffene Kompositwerkstoff wird eloxiert (anodisch oxidiert), was zur Bildung einer elektrisch isolierenden Eloxalschicht (Al203) 4 auf der Oberfläche beider Aluminiumfolien 2,3 führt. Die anodische Oxidation ist z.B. aus Altenpohl, Aluminium von innen betrachtet, 4. Auflage, 1979, Aluminium-Verlag GmbH, Düsseldorf, Seite 171 bis 174 bekannt.
Auf die Eloxalschicht wird dann die weitere Leiterbahnbeschichtung entweder wie bei einer konventionellen Leiterplatte vorgenommen (Kaschieren mit Kupferfolie, Beschichten mit Photolack, Belichten, Entwickeln) oder alternativ durch Bedampfen wie bei der Dünnschicht-Hybridtechnik (Aufdampfen der Cu-Leiterbahnen unter Zuhilfenahme von Masken).
Zur Bildung einer Durchkontaktierung 5 wird die Eisen-Nickel-Legierung 1 vor dem Platieren mit den Aluminiumfolien gelocht, und zwar mit einem großen Lo.ch-Durchmesser D2. Anschließend werden die beiden Aluminiumfolien 2, 3 auf die Eisen-Nickel-Legierung 1 aufgelegt. Nach dem Platieren sind die beiden Aluminiumfolien 2, 3 in den Löchern aufeinandergepreßt und werden mit einem kleineren Durchmesser D7 < D2 nochmals gelocht. Infolge des zweimaligen Lochens mit verschiedenen Durchmessern Dl, D2 ist die Eisen-Nickel-Legierung 1 auch an den Durchkontaktierungen 5 von Aluminiumfolie umgeben und es kann auch in den Durchkontaktierungen aufeloxiert werden. Nach der Eloxierung weist die Durchkontaktierung 5 einen Durchmesser D3 auf.
Eine aus dem beschriebenen Substrat bestehende Leiterplatte kann mit elektronischen Bauelementen (Chips) bestückt werden. Die Eloxalschicht 4 ist auch hart genug, um darauf bonden zu können.
Infolge der guten Wärmeleitfähigkeit des eloxierten Kompositwerkstoffes 1 bis 4 ist eine gute Wärmeabfuhr der in elektronischen Bauelementen, insbesondere Chip-Bauelementen während des Betriebes erzeugten Verlustwärme gewährleistet. Die Verlustwärme wird zudem gut auf der gesamten Leiterplatte verteilt (insbesondere durch die Aluminiumfolien 2,3), so daß auch bei miniaturisierten Bauelementen (Chips) die Verlustwärme nicht zu einer örtlichen Uberhitzung der Bauelemente führt und die Bauelemente vollständig ausgenutzt werden können.
Die Wärmeausdehnung der aluminiumplatierten Eisen-Nikkel-Legierung 1, 2, 3 ist etwa gleich dem der Eloxalschicht 4 (Eisen-Nickel-Legierung 1: geringe Ausdehnung; Aluminiumfolien 2,3: große Ausdehnung). Andererseits sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Eloxalschicht 4 und der Chips ungefähr gleich. Hierdurch wird eine Zerstörung der elektrisch isolierenden Eloxalschicht 4 bei erhöhter Temperatur vermieden (Risse infolge Temperaturbelastung) und es entstehen keine Probleme beim Einlöten von Chips.
Bei einer Variante des Leiterplatten-Substrats gemäß Fig. 2 kann anstelle der aluminiumplatierten Eisen-Nikkel-Legierung 1 auch ein Aluminiumblech 6 eingesetzt werden, das keramische Fasern enthält, mit denen die Wärmeausdehnung des Aluminiumbleches 6 an die Eloxalschicht angepaßt werden kann. Auch bei dieser Variante ist das Aluminiumblech auf beiden Seiten mit einer elektrisch isolierenden Eloxalschicht (Al203) 4 versehen, beispielsweise durch anodische Oxidation.

Claims

Anspruche 1. Substrat für Leiterplatten mit einem Kern aus einer Eisen-Nickel-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisen-Nickel-Legierung (1) beiderseits mit Aluminiumfolien (2,3) platiert ist und die Aluminiumfolien (2,3) mit elekrisch isolierenden Eloxalschichten (4) versehen sind.
2. Verfahren zur Herstellung eines Substrats für Leiterplatten gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt die Eisen-Nickel-Legierung (1) zur Bildung einer Durchkontaktierung gelocht wird, daß in einem zweiten Schritt die beiden Aluminiumfolien (2,3) platiert.werden, daß in einem dritten Schritt die aufeinander gepreßten Aluminiumfolien (2,3) mit kleinerem Durchmesser gelocht werden und daß in einem vierten Schritt eine Eloxierung der Aluminiumfolien (2,3) erfolgt.
3. Substrat für Leiterplatten, dadurch gekennzeichnet, daß als Kern ein keramische Fasern enthaltendes Aluminiumblech (6) dient, das mit elektrisch isolierenden Eloxalschichten (4) versehen ist.