DE4328353A1 - Mehrschicht-Substrat - Google Patents
Mehrschicht-SubstratInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Mehrschicht-Substrat gemäß
Oberbegriff Patentanspruch 1.
Zur Herstellung von elektrischen Schaltkreisen oder Bau
elementen, die wenigstens einen Halbleiter-Chip aufweisen,
eignen sich Mehrschicht-Substrate, die in mehreren Schichten
aufeinanderfolgend 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.
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.
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 zeigt
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 Polybdän-
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
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 (15)
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 auf einer von einer Keramik
schicht (2) gebildeten 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-Substra
tes 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 das Mehrschicht-Substrat wenigstens
eine Ausnehmung (4) aufweist, die zu der dem Hohlkörper
(7, 7a, 7b) angewandten anderen Oberflächenseite des
Mehrschicht-Substrates (1, 1a, 1b) hin offen ist.
4. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-3,
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.
5. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-4,
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.
6. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnete daß die Metallisierungen (3) aus
Molybdän, Wolfram, Platin und/oder Paladium oder als
einer Legierung hergestellt sind, die wenigstens zwei der
vorgenannten Metalle enthält.
7. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnete daß die Metallisierung (3) durch
Drucktechnik hergestellt ist.
8. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnete 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.
9. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnete daß das Kühlkörperelement (9)
eine wellenförmige, dreieckförmige, rechteckförmige oder
trapezförmige Profilierung aufweist.
10 Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-9,
dadurch gekennzeichnete daß das Kühlkörperelement (9) im
Bereich seiner vom Mehrschicht-Substrat (1, 1a, 1b)
beabstandeten Profilabschnitte Öffnungen, vorzugsweise
Schlitze (10) aufweist.
11. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-10,
dadurch gekennzeichnete daß der wenigstens eine Kühl
körper (7, 7a, 7b) der Ausnehmung (4) gegenüberliegenden
vorgesehen ist.
12. Mehrschicht-Substrat nach einem der Ansprüche 1-11,
dadurch gekennzeichnete 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.
13. Mehrschicht-Substrat nach Anspruch 12, 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.
14. Mehrschicht-Substrat an einen der Ansprüche 1-13,
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.
15. Mehrschicht-Substrat nach Anspruch 14, dadurch gekenn
zeichnet, das an dem Kühlkörperelement (9a) ein weiteres
Kühlkörperelement (9b) befestigt ist.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4328353A DE4328353C2 (de) | 1993-08-17 | 1993-08-24 | Mehrschicht-Substrat |
DE4338706A DE4338706A1 (de) | 1993-08-24 | 1993-11-12 | Mehrschicht-Substrat |
US08/293,510 US5650662A (en) | 1993-08-17 | 1994-08-19 | Direct bonded heat spreader |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4327641 | 1993-08-17 | ||
DE4328353A DE4328353C2 (de) | 1993-08-17 | 1993-08-24 | Mehrschicht-Substrat |
DE4338706A DE4338706A1 (de) | 1993-08-24 | 1993-11-12 | Mehrschicht-Substrat |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4328353A1 true DE4328353A1 (de) | 1995-02-23 |
DE4328353C2 DE4328353C2 (de) | 1996-06-05 |
Family
ID=25928697
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4328353A Expired - Fee Related DE4328353C2 (de) | 1993-08-17 | 1993-08-24 | Mehrschicht-Substrat |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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