Kanschat, Peter (Auf den Höfen 5b, Bad Sassendorf, 59505, DE)
Passe, Thomas (Ribbeweg 10, Epscheid, 58339, DE)
Kanschat, Peter (Auf den Höfen 5b, Bad Sassendorf, 59505, DE)
| 1. | Elektrische Anordnung mit einem Substrat (9) mit mindes¬ tens einem elektrischen Bauteil (40) und/oder einer Leiter bahn (11) , auf dem mindestens eine Metallisierung (10) aufge¬ bracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (10) eine kaltgasgespritzte Metallisierung ist. |
| 2. | Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung eine Leiterbahn (11) bildet. |
| 3. | Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (50) eine elektromagnetische Abschir¬ mung bildet. |
| 4. | Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Metallisierung ein elektrisches Widerstandsma¬ terial (IIa) ist. |
| 5. | Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmaterial (IIa) Konstantan ist. |
| 6. | Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandsmaterial (IIa) Manginan ist. |
| 7. | Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Metallisierung (10) ein Ventilmetall oder eine Ventilmetalllegierung ist. |
| 8. | Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmetall zumindest teilweise anodisch oxidiert ist. |
| 9. | Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (90) ein Grundmaterial (91) umfasst, das n'it harten Füllkörnern (92) verfüllt ist. |
| 10. | Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (9) und der Metal¬ lisierung eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen ist. |
| 11. | Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Schicht durch PlasmaElektrolytische Oxidation gebildet ist. |
| 12. | Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (10) mindestens ein Senkloch (9a) in dem Substrat (9) ausfüllt. |
| 13. | 'Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (78) mindestens einen Anschlusskontakt (74) ausbildet. |
| 14. | Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallisierung Zusatzmaterial, bei¬ spielsweise Silizium, Keramik und/oder Kohlenstoff, beigefügt ist . |
| 15. | Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (21) eine elektrische Verbindung zwischen zwei Leitern (18, 20) bildet, wobei zu¬ mindest einer der Leiter (20) auf dem Substrat (9) angeordnet ist. |
| 16. | Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Leiter (18) als elektrischer Anschlusskontakt (19) ausgebildet ist. |
| 17. | Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlusskontakt (19) mechanisch von einem Gehäuse (22) gestützt ist. |
| 18. | Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat (9) eine Basis Metallisierung (30) aufgebracht ist, auf der mindestens ein elektrisches Bauteil (31) angeordnet ist, das Bauteil (31) zumindest teilweise von einer Verschaltungsplatine (33) umge¬ ben ist und die kaltgespritzte Metallisierung (37) eine e lektrische Verbindung zwischen Bauteil (31) und Verschal tungsplatine (33) bildet. |
| 19. | Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (31) in einer Ausnehmung (34) der Verschaltungs platine (33) platziert ist und das Bauteil (31) von einer I solierung (32) umgeben ist. |
| 20. | Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung (32) eine Ausnehmung aufweist, die von der Me tallisierung (37) durchdrungen ist. |
| 21. | Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallisierung (65) einen auf dem Substrat (9) angeordneten elektrischen Leiter (61) in einer ersten Ebene (60) mit einem elektrischen Leiter (63) verbin¬ det, der in einer zweiten Ebene (62) auf dem Substrat ange¬ ordnet ist. |
| 22. | Verfahren zum Herstellen einer Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf ei¬ nem Substrat (9) ein Bauteil (40) und/oder eine Leiterbahn (41, 42) angeordnet wird und durch Kaltgasspritzen eine Me tallisierung (46) aufgebracht wird, die das Bauteil (40) und/oder die Leiterbahn (41) elektrisch kontaktiert. |
| 23. | Verfahren zum Herstellen einer Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) während des Kaltgasspritzens maskiert wird. |
| 24. | Verfahren zum Herstellen einer Anordnung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) mit seiner Oberseite (8) in Bezug auf eine Stützebene (71) eines Trägers (72) ausgerichtet wird, mindestens ein elektrischer Anschlusskontakt (74) durch Kaltgasspritzen einer Metallisie¬ rung (78) ausgebildet wird, wobei der Anschlusskontakt (74) sich mindestens teilweise auf der Stützebene (71) erstreckt, und der Träger (72) nach Fertigstellung des Anschlusskontakts (74) entfernt wird. |
Elektrische Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer e- lektrisehen Anordnung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung mit einem Substrat mit mindestens einem elektrischen Bauteil und/oder einer Leiterbahn, auf dem mindestens eine Metallisierung auf¬ gebracht ist.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen und e- lektronischen Aufbau- und Schaltungstechnik, insbesondere der Leistungshalbleiter-Schaltungstechnik, und ist auf eine e- lektrische Anordnung, insbesondere zur elektrischen Kontak- tierung und/oder zur Wärme ableitenden oder Wärme zuleitenden Montage elektrischer Bauteile, und auf ein Verfahren zum Her¬ stellen einer solchen Anordnung gerichtet.
Der Begriff "Bauteil" ist im Rahmen der vorliegenden Erfin- düng weit zu verstehen und umfasst allgemein Schaltungsele¬ mente wie Halbleiter (z.B. Leistungs-Transistoren und Dio¬ den) , integrierte Bauelemente (ICs) ,passive Bauelemente aber auch andere elektrische Elemente, wie z.B. Heizelemente, Lei¬ ter, Leiterbahnen und konstruktive Elemente - wie z.B. An- Schlusskontakte und dergleichen.
Derartige Bauteile werden oft in hoher Packungs- bzw. Leis¬ tungsdichte betrieben und setzen elektrische Energie in Wär¬ meenergie um. Diese führt zu einer Erwärmung der Bauteile, die zu einer Funktionsbeeinträchtigung und ungünstigstenfalls zu einer Zerstörung der Bauteile führen kann. Deshalb muss für eine zuverlässige Abfuhr der betriebsgemäß entstehenden
,
Wärme gesorgt sein. Andererseits muss das Bauteil häufig aus schaltungstechnischen Gründen elektrisch isoliert sein.
In anderen Anwendungen ist es erwünscht, von einem Bauele- ment, z.B. einer elektrischen Heizung, die isoliert von einem Wärme empfangenden Bauteil angeordnet ist, einen Wärmefluss mit geringem Wärmewiderstand zu dem Bauteil zu realisieren.
Aus der US-Patentschrift 5,559,374 gehen eine elektrische An- Ordnung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu deren Herstellung hervor. Die bekannte Anordnung umfasst ein metal¬ lisches Substrat, auf dessen Oberseite durch sog. Thermoset- ting unter Druck und Wärme eine mehrlagige Folie auflaminiert ist. Diese besteht aus einer oberseitigen Kupferfolie und ei- ner darunter liegenden Trägerfolie aus Kunststoff. Beim Auf- laminieren der mehrlagigen Folie. bildet der Kunststoff eine isolierende Schicht. In der Kupferfolie können anschließend durch Photoätzen Kupferstrukturen erzeugt werden, die Monta¬ gebereiche und Leiterbahnen bilden. Durch Reflow-Lötung sind in den Montagebereichen auf den Kupferstrukturen Dickschicht-
Leiterbahnen ausgebildet, mit denen mittels des Reflow-Löt- Prozesses Kupferplättchen verlötet sind, die für einen hohen Stromfluss ausgelegt sind. Die Kupferplättchen dienen mit in¬ tegralen Fortsätzen zum externen Anschluss an leistungsseiti- ge Hochstromleitungen. Auf die Kupferplättchen sind Bauteile in Form von Leistungshalbleitern wie z.B. IGBTs aufgelötet.
Die Herstellung dieser bekannten elektrischen Anordnung ist aufwendig. Da die Leistungs-Bauteile während ihrer Schaltvor- gänge hohe Leistungsspitzen und damit erhebliche in Verlust- wärme umgesetzte Verlustleitungen generieren, besteht die Notwendigkeit, die thermischen Auswirkungen der Verlustlei¬ tungen abzufangen.
Zwar sieht die bekannte Anordnung zur Wärmeabfuhr bzw. Küh¬ lung der Bauteile ein entsprechend dimensioniertes, metalli- sches Kühlelement vor, gegenüber dem die Bauteile jedoch e- lektrisch isoliert sein müssen. Dazu dient die genannte iso¬ lierende Kunststoff-Schicht. Diese hat jedoch einen ver¬ gleichsweise hohen Wärmewiderstand, durch den der Wärmestrom zum Substrat und damit die Wärmeabfuhr limitiert sind, und begrenzt durch ihre maximale Einsatztemperatur die zulässige Wärme- bzw. Temperatureinbringung (auch während des Herstel¬ lungsprozesses) . Auch müssen etwa schaltungstechnisch erfor¬ derliche passive Bauteile - wie z.B. Widerstände oder Induk¬ tivitäten - isoliert angeordnet und ggf. gekühlt werden. Dies ist mit zusätzlichem Aufwand und mit entsprechenden Kosten verbunden.
Auf dem Gebiet der elektrischen Schaltungstechnik und insbe¬ sondere der Leistungshalbleiterelektronik verstärkt sich der Kostendruck kontinuierlich. Die einfache, kostengünstige und rationelle Herstellbarkeit von elektrischen Anordnungen ist deshalb ein zunehmend wichtiges Erfolgskriterium.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Anordnung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, die bei be¬ sonders hohen maximal zulässigen Betriebstemperaturen auch im Bereich komplizierter Substrat-Topologien einfach und kosten¬ günstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Anordnung erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Merk¬ malen des Anspruchs 22 gelöst.
Danach umfasst die elektrische Anordnung ein Substrat, auf dem mindestens ein elektrisches Bauteil, z.B. ein Leistungs- halbleiter wie ein IGBT, und/oder eine Leiterbahn angeordnet sind/ist. Auf dem Substrat ist mindestens eine kaltgasge- spritzte Metallisierung aufgebracht. Vorteilhafte Fortbildun¬ gen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und ge¬ hen aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungs- beispielen hervor.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht also darin, dass mittels an sich bekanntem Kaltgasspritzen eine Metalli¬ sierung zur Verschaltung und/oder Aufnahme bzw. Fixierung e- lektrischer oder mechanischer Bauteile dient.
Beim Kaltgasspritzen wird der Beschichtungswerkstoff - im Un¬ terschied zu bekannten gängigen Spritzverfahren - nicht ange¬ schmolzen oder aufgeschmolzen. Vielmehr wird der Beschich- tungswerkstoff in feiner oder feinster Pulverform - die Pul¬ verpartikel haben eine Größe von z.B. 1 μm bis 50 μm - in ei¬ nem auf .einige 100 0 C aufgeheizten Gasstrom auf die zu be¬ schichtende Oberfläche beschleunigt . Die Pulverpartikel er¬ reichen dabei Geschwindigkeiten von etwa 300 m/s bis 1200 m/s. Der Gasstrom kann bevorzugt eine anti-oxidierende Wir¬ kung auf die Partikel haben.
Durch ihre dadurch vergleichsweise hohe kinetische Energie verformen sich die Partikel beim Aufprall auf das Substrat und bilden darauf eine dichte und fest haftende Schicht.
Durch die hohe kinetische Energie werden vorteilhafterweise auch etwaige auf dem Substrat gebildete Oberflächenoxide auf¬ gebrochen und durch Mikroreibung zwischen den Partikeln eine
solche Temperaturerhöhung bewirkt, dass an den Berührungsflä¬ chen Mikroverschweißungen entstehen.
Dadurch erreicht man äußerst reine Metallisierungen, die in ihren elektrischen und thermischen Eigenschaften herkömmlich hergestellten - z.B. gewalzten - Materialien nicht nachste¬ hen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Lotverbindungen zeigt sich die erfindungsgemäße Anordnung in ihren elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften überlegen: So zeigen Lotver¬ bindungen schon bei einer Erwärmung über ca. 115 0 C eine sig¬ nifikante Änderung ihrer mechanischen Eigenschaften - die er¬ findungsgemäße Anordnung ist dagegen in diesen Temperaturbe- reichen mechanisch noch hoch stabil .
Ein bei der erfindungsgemäßen Anordnung besonders vorteilhaf¬ ter Aspekt ist, dass mittels Kaltgasspritzen nicht nur dünne, sondern auch vergleichsweise größere Schichtdicken oder Strukturen realisierbar sind. Dickere Strukturen sind hin¬ sichtlich der Wärmeleitung und der Minimierung des elektri¬ schen Leitungswiderstandes vorteilhaft.
Damit lassen sich auch Anordnungen realisieren, die sich durch eine besonders homogene, belastbare und auch an Berei¬ chen mit komplexen Geometrien zuverlässige Metallisierung auszeichnen.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass eine Vielzahl von Ausgangsmaterialien verwendbar ist, die z.B. einen vergleichsweise geringen Wärmewiderstand haben und damit einen effektiven Wärmefluss z.B. von Bauteilen zu dem Substrat (Wärmeabfuhr) oder aber von einer Heizeinrich-
tung zu einem zu erwärmenden Bauteil (Wärmezufuhr) auf dem Substrat ermöglichen.
Durch die Wahl des kaltzuspritzenden Ausgangsmaterials können also unmittelbar die Eigenschaften der Metallisierung beein- flusst werden. So ermöglicht z.B. die Wahl von Kupfer, Silber oder Gold als Ausgangsmaterial die Realisierung äußerst nie- derohmiger, gut Wärme leitender Metallisierungen. Solche nie- derohmigen Metallisierungen sind insbesondere im Hochstrombe- reich bei niedrigen Betriebsspannungen - wie z.B. in der Kraftfahrzeugtechnik - vorteilhaft.
Die Metallisierung kann bevorzugt auch selbst eine Leiterbahn bilden. Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Er- findung der Erfindung bildet diese Leiterbahn eine Fläche, • die zur elektromagnetischen Abschirmung gegen EMV-Störungen dient.
Die Metallisierung kann zur Ausbildung von elektrischen Wi- derständen bevorzugt aus einem Widerstandsmaterial wie z.B. Konstantan oder Manginan bestehen. Die so gebildeten Wider¬ standsbereiche sind kostengünstig und einfach realisierbar und zeichnen sich aufgrund ihrer Nähe zum Substrat durch eine gute thermische Anbindung an das Substrat aus. Die Wider- standswerte können durch entsprechende Gestaltung der
Schichtdicke und/oder Schichtgeometrie zusätzlich an die je¬ weiligen Erfordernisse angepasst werden.
Das unter der Bezeichnung Konstantan bekannte Material ist üblicherweise eine Legierung aus 55% Kupfer und 45% Nickel, die sich durch einen in einem weiten Temperaturbereich kon¬ stanten elektrischen Widerstand auszeichnet. Eine Legierung (86% Kupfer/12% Mangan/2% Nickel) mit einem ähnlich geringen
Temperaturkoeffizienten ist unter der Bezeichnung Manganin handelsüblich.
Die Metallisierung kann bevorzugt auch ein Ventilmetall oder eine Ventilmetalllegierung sein, das bzw. die bevorzugt zu¬ mindest teilweise anodisch oxidiert ist.
Dies ist hinsichtlich der Isolations-Eigenschaften von Vor¬ teil. Unter Ventilmetallen sind allgemein Metalle zu verste- hen, die sich bei anodischer Polung mit einer Oxidschicht ü- berziehen, die auch bei hohen Spannungen nicht leitend wird (durchschlägt) . Somit können - insbesondere für einen Mehr¬ schichtaufbau - gezielt Isolationsschichten auf einer zuvor kaltgespritzen Metallisierung erzeugt werden. Als Ventilme- tall werden bevorzugt Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium oder Tantal und als Ventilmetalllegierung AlCu, AlCuMg, AlMg, AlZnMg, AlZnMgCu, AlSiCu, AlMgSi, AlSi, AlMn oder AlMgMn ver¬ wendet.
Die Metallisierung kann auf einen elektrischen Isolator, wie z.B. ein keramisches Substrat gespritzt sein. Bevorzugt wird ein Substrat verwendet, das aus einem vergleichsweise weichen Grundkörper bzw. Grundmaterial (z.B. Kunststoff) besteht, in das harte Füllstoffe oder Füllkörper (z.B. Keramikpulver) eingebracht sind. Das weiche Grundmaterial wird während des Kaltgasspritzens zumindest teilweise abgetragen, so dass die eigentliche Beschichtung in einem stärkeren Maße mit den har¬ ten Füllstoffen in Verbindung gelangt. Dadurch ist eine be¬ sonders feste und harte Beschichtung realisierbar.
Um bei Verwendung eines leitenden Substrats bedarfsweise eine zuverlässige Isolation zum Substrat zu gewährleisten, ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zwischen
Substratoberfläche und Metallisierung eine isolierende Schicht vorgesehen.
Besonders bevorzugt kann in diesem Zusammenhang Aluminium auf einer Keramik (z.B. SiC oder A12O3) aufgebracht und zur Bil¬ dung einer Isolationsschicht - bevorzugt durch Plasma Elekt¬ rolytische Oxidation (PEO) - oxidiert werden. Auf dieser Iso¬ lationsschicht kann dann eine Metallisierung aufgespritzt werden, auf der wiederum z.B. ein elektrisches Bauteil mon- tiert und kontaktiert werden kann. Alternativ kann auch diese Metallisierung zur Bildung einer Isolationsschicht oxidiert werden. Auf diese Weise ist ein mehrschichtiger Aufbau - auch unter Verwendung verschiedener Materialien - möglich, um thermisch induzierte Spannungen besser auszugleichen und ein verbessertes mechanisches Verhalten zu erreichen.
Hier spielt die Erfindung einen ihrer besonderen Vorteile aus, nämlich die vergleichsweise geringe thermische Belastung des Substrats. Da die Metallisierung mit nur sehr geringer Wärmeeinbringung verbunden ist, ergeben sich kaum thermisch induzierte mechanische Spannungen und damit keine Durchbie¬ gungen oder Verformungen des Substrats (wie z.B. bei der her¬ kömmlichen DCB (Direct Copper Bonding) -Technologie) . Deshalb können erfindungsgemäß auch Anordnungen mit vergleichsweise großen Oberflächen metallisiert werden, was in traditioneller Technik einen wesentlich größeren Aufwand erfordert. Eine weitere Reduzierung von thermischen Belastungen lässt sich erreichen, indem mechanische Puffer - z.B. Molybdän - im Kaltgasspritzverfahren als Zwischenschicht aufgebracht wer- den.
Bevorzugt kann die Metallisierung mindestens eine Ausnehmung oder geometrische Vertiefung - kurz als ein Senkloch bezeich-
net - ausfüllen. Damit ist die mechanische Verbindung zwi¬ schen Substrat und Metallisierung verbessert, bedarfsweise auch eine Kontaktierung z.B. tieferer Substratbereiche oder eine Verbindung eines elektrisch isoliert auf dem Substrat angeordneten Bauteils mit dem Substrat möglich und die Wärme¬ leitung in das bzw. aus dem Volumen des Substrats verbessert.
Von der Metallisierung kann bzw. können als integrale Be¬ standteile auch ein oder mehrere Anschlusskontakte gebildet sein. Dies kann fertigungstechnisch bevorzugt dadurch reali¬ siert sein, dass mittels einer während des Kaltgasspritzpro- zesses aufgebrachten Maske z.B. ein hoch stehender Stift oder Kontaktfortsatz ausgebildet wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Metallisierung ein Zusatzmaterial, beispielsweise Si¬ lizium, Keramik und/oder Kohlenstoff, beigefügt. Damit können vorteilhafterweise Parameter - wie z.B. die Härte, die Leit¬ fähigkeit oder der thermische Ausdehnungskoeffizient - der Metallisierung je nach Anwendungsfall und Bedarf eingestellt werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht - wie eingangs schon erwähnt - darin, dass mit geringem Aufwand und geringer thermischer Belastung des Substrats bzw. der darauf ausgebildeten Strukturen auch vergleichsweise dicke oder mas¬ sive Metallisierungen erzeugt werden können.
Vor diesem Hintergrund ist eine Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, bei der die Metallisierung eine elektrische Ver¬ bindung zwischen zwei Leitern bildet, von denen zumindest ein Leiter auf dem Substrat angeordnet ist. Die Metallisierung stellt dabei eine material- und ggf. formschlüssige Verbin-
düng her. Diese Verbindung hat auch den Vorteil, dass sie ei¬ nen sehr großen Anwendungsbereich hat, äußerst niederohmig, gut Wärme leitend und dennoch thermisch sowie mechanisch sehr stabil ist . Sie ist deshalb auch für Anwendungsfälle mit sehr hohen elektrischen Strömen bestens geeignet.
Bevorzugt kann einer der Leiter als Anschlusskontakt, z.B. als Anschlussstift oder Öse, ausgestaltet sein. Um äußere me¬ chanische Belastungen sich nicht auf die Metallisierung bzw. die Verbindung auswirken zu lassen, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Anschlusskontakt mechanisch von einem Gehäuse ge¬ stützt ist.
Eine fertigungstechnisch vorteilhafte erfindungsgemäße Anord- nung, die für eine besonders kompakte und geschützte Anord¬ nung eines Bauteils auf einem Substrat bevorzugt ist, sieht vor, dass auf dem Substrat eine Basis-Metallisierung aufge¬ bracht ist. Auf dieser ist mindestens ein elektrisches Bau¬ teil angeordnet und das Bauteil ist zumindest teilweise von einer Verschaltungsplatine umgeben. Die Metallisierung reali¬ siert dabei eine elektrische Verbindung zwischen Bauteil und Verschaltungsplatine. Besonders bevorzugt kann das Bauteil in einer Ausnehmung der Verschaltungsplatine platziert und das Bauteil von einer Isolierung umgeben sein.
Die Isolierung kann von einem abdichtenden und isolierenden Material, z.B. einem Kunststoff oder Harz, gebildet sein. Be¬ vorzugt kann die Isolierung das Bauteil ringartig umgeben, so dass eine obere Öffnung oder Ausnehmung besteht, durch die die Metallisierung appliziert werden kann, um das Bauteil in gewünschter Weise zu kontaktieren.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch dadurch ausgestaltet werden, dass die kaltgespritzte Metallisierung mehrere Lei¬ terbahnen auf verschiedenen räumlichen Ebenen verbindet. Nach einer diesbezüglich bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metallisierung einen auf dem Sub¬ strat angeordneten elektrischen Leiter in einer ersten Ebene mit einem elektrischen Leiter verbindet, der in einer zweiten Ebene auf dem Substrat angeordnet ist .
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Anordnung mit dem Ziel, eine elektrisch leitende Schicht oder einen leitenden Verbindungsbereich mit hervorragenden elektrischen und thermischen Leitungseigen¬ schaften bei hoher thermischer und mechanischer Stabilität weitgehend belastungsfrei auf einem Substrat zu applizieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem auf einem Substrat ein Bauteil und/oder eine Leiterbahn angeordnet wird/werden und durch Kaltgasspritzen eine Metallisierung aufgebracht wird, die das Bauteil und/oder die Leiterbahn e- lektrisch kontaktiert.
Bevorzugt wird dabei das Substrat während des Kaltgassprit- zens maskiert; so lassen sich besonders gut dosiert gezielt Metallisierungen an gewünschten Substratbereichen aufbringen.
Zur fertigungstechnisch einfachen Herstellung von integral ausgeformten, kompakt angeordneten Anschlusskontakten sieht eine vorteilhafte Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfah- rens vor, dass das Substrat mit seiner Oberseite in Bezug auf eine Stützebene eines Trägers fluchtend ausgerichtet wird, mindestens ein elektrischer Anschlusskontakt durch Kaltgas- spritzen einer Metallisierung ausgebildet wird, wobei der An-
Schlusskontakt sich mindestens teilweise auf der Stützebene erstreckt, und der Träger nach Fertigstellung des Anschluss- kontakts entfernt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei sind gleiche oder ent¬ sprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen (überwiegend im Längsschnitt) :
Figur 1 den prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung zur Her¬ stellung einer erfindungsgemäßen Anordnung und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 2 eine gegenüber Figur 1 modifizierte Einrichtung zur Herstellung einer Anordnung mit einer Verbindung,
Figur 3 eine Anordnung mit einem aus einer Verbindungsebene herausragenden Anschlusskontakt,
Figur 4 eine gegenüber Figur 3 abgewandelte Anordnung,
Figur 5 eine Anordnung mit einem Bauteil,
Figur 6 eine weitere Anordnung mit einem Bauteil,
Figur 7 eine weitere Anordnung mit einem isoliert und ge¬ schützt angeordneten Bauteil,
Figur 8 eine Anordnung mit einer elektrischen Abschirmung,
Figur 9 eine Anordnung mit einer Verbindung von zwei Lei¬ tern in unterschiedlichen Ebenen,
Figur 10 eine Anordnung mit Kontaktanschlüssen und
Figur 11 die Verhältnisse bei Verwendung eines Substrats aus einem weichen Basismaterial, das mit harten Körnern verfüllt ist.
Nach Figur 1 strömt beim Kaltgasspritzen ein anti-oxidierend wirkendes Fördergas 1 mit einem Druck von 15 bis 35 bar in eine Einrichtung 2 und wird über Heizelemente 3 auf einige 100 0 C erwärmt. Über eine Pulverzufuhr 4 wird als Ausgangsma¬ terial (Beschichtungswerkstoff) 5 Kupfer in Form feinster Kupferpartikel 6 zugeführt . Diese werden im Unterschied zu bekannten gängigen Spritzverfahren nicht angeschmolzen oder aufgeschmolzen, sondern durch den Hochdruck-Gasstrom in fei- ner Pulverform aus einer Düse 7 als Strahl auf eine Oberseite 8 eines Keramik-Substrats 9 beschleunigt. Die Pulverpartikel erreichen dabei Geschwindigkeiten von etwa 300 bis 1200 m/s.
Die vergleichsweise hohe kinetische Energie verformt die Par- tikel bei ihrem Aufprall auf die Oberseite 8, auf der sich dadurch eine feste "verkrallte" Kupferschicht in Form einer Metallisierung 10 bildet. Die Metallisierung bildet in dieser einfachen Ausführungsform eine Leiterbahn 11, die zur elekt¬ rischen Kontaktierung und/oder Wärmeableitung von einem nicht gezeigten Bauteil dienen kann.
Die Metallisierung 10 kann dabei ein andeutungsweise gezeig¬ tes Senkloch 9a in dem Substrat 9 ausfüllen, um beispielswei¬ se eine verbesserte Wärmeleitung aus dem Substrat zu reali- sieren.
Bei Wahl eines Widerstandsmaterials IIa wie z.B. Konstantan oder Manginan als Ausgangsmaterial 5 können auch unmittelbar
elektrische Widerstände auf dem Substrat ausgebildet werden, die sich dadurch durch eine gute thermische Anbindung an das Substrat und so durch eine gute Abfuhr der im Widerstand ent¬ stehenden Wärme auszeichnen.
Figur 2 zeigt eine gegenüber Figur 1 modifizierte Einrich¬ tung, bei der die Bestrahlung der Oberfläche 8 des Substrats 9 mit Partikeln 6 aus der Düse 7 in vertikaler Richtung 12 erfolgt. Hier sind auf der Oberseite 8 zwei Leiterbahnen 14, 15 angeordnet. Diese werden durch die kaltgespritzte, gut leitende und mechanische beständige Verbindung 16 elektrisch miteinander verbunden. Das Substrat ist hier als Isolator (Keramik) ausgeführt. Es ist aber auch denkbar, das Substrat aus einem leitenden Material (z.B. Aluminium) herzustellen und eine Isolation zum Substrat dadurch zu realisieren, dass auf dem Substrat eine isolierende Schicht vorgesehen wird.
Besonders bevorzugt kann in diesem Zusammenhang Aluminium auf einer Keramik (z.B. SiC oder A12O3) aufgebracht und zur BiI- düng einer Isolationsschicht - bevorzugt durch Plasma Elekt¬ rolytische Oxidation (PEO) - oxidiert werden. Auf dieser Iso¬ lationsschicht kann dann eine Metallisierung aufgespritzt werden, auf der wiederum z.B. ein elektrisches Bauteil mon¬ tiert und kontaktiert werden kann. Alternativ kann auch diese Metallisierung zur Bildung einer Isolationsschicht oxidiert werden. Auf diese Weise ist ein mehrschichtiger Aufbau mög¬ lich.
Figur 3 zeigt eine Anordnung mit einem aus einer Verbindungs- ebene herausragenden Anschlusskontakt; hier ist ein elektri¬ scher Leiter 18 als Anschlusselement oder Anschlusskontakt 19 auf dem Substrat 9 angeordnet und mit einem weiteren Leiter 20 durch eine kaltgespritzte Metallisierung 21 verbunden. Der
Leiter 18 erstreckt sich dabei rechtwinklig aus der Verbin¬ dungsebene heraus und ist von einem nur schematisch angedeu¬ teten Gehäuse 22 gestützt. Das Gehäuse nimmt damit die auf den Anschlusskontakt wirkenden äußeren mechanischen Kräfte auf und schützt somit die Verbindung. Man erkennt, dass die Metallisierung in Doppelfunktion nicht nur die elektrische Verbindung, sondern auch die mechanische Fixierung des Lei¬ ters 18 auf der Oberseite des Leiters 20 bewirkt.
Figur 4 zeigt eine gegenüber Figur 3 abgewandelte Anordnung, bei der der Leiter 18 mit seinem verbindungsseitigen Ende in derselben Ebene wie der Leiter 20 liegt und über eine kaltge¬ spritzte Metallisierung 23 verbunden und mechanisch auf dem Substrat 9 fixiert ist. Auch hier kann der den Anschlusskon- takt 19 bildende Teil des Leiters 18 durch eine Entlastung oder ein Gehäuse wie in Figur 3 gezeigt gestützt sein.
Figur 5 zeigt eine Anordnung mit einem Substrat 9, auf dem ein elektrischer Leiter 25 aufgebracht ist. Auf dem Leiter 25 befindet sich ein elektrisches Bauteil 26. Um das Bauteil 26 ist ein elektrischer Isolator 27 aus Kunststoff gelegt, der eine abdichtende und isolierende umlaufende Lippe hat . Diese isoliert den Rand des Bauteils und ist im Wesentlichen ring¬ förmig. Im oberen Bereich ist eine Öffnung 28 vorgesehen, durch die die kaltgespritzte Metallisierung 29 dringt und ei¬ ne Verbindung bildet, durch die die Bauteiloberseite mittels integral angeformter Leiterbahn kontaktiert ist.
Figur 6 zeigt eine weitere, der Ausführung nach Figur 5 ähn- liehe Anordnung mit einem Bauteil. Hier ist auf einem Sub¬ strat oder Trägermaterial 9 eine Metallisierung 30 appli¬ ziert, auf der ein Leistungshalbleiter (Bauteil) 31, z.B. ein IGBT, angeordnet und mit seiner unteren Anschlusselektrode
elektrisch leitend verbunden ist. Auch hier ist der Randbe¬ reich des Bauteils 31 zum Schutz und zur Isolierung von einem Isolator 32 abgedeckt. Um das Bauteil und den Isolator ist eine Schaltungsplatine 33 angeordnet, die einen Durchbruch oder eine Ausnehmung 34 für das Bauteil aufweist. Die Ober¬ seite 35 der Platine 33 ist mit an sich bekannter Kupferka- schierung oder Leiterbahnen 36 versehen, mit der das Bauteil 31 durch eine kaltgespritzte Metallisierung 37 elektrisch verbunden ist. Die Metallisierung sorgt auch für eine mecha- nisch feste Fixierung des Bauteils in dieser Anordnung. Auf der Metallisierung 37 kann bevorzugt zur Wärmeableitung ein Kühlelement 38 oder eine Wärmesenke montiert sein.
Figur 7 zeigt eine weitere Anordnung mit einem Substrat oder Trägerelement 9 und mit einem darauf isoliert und geschützt angeordneten Bauteil 40. Das Substrat weist auf seiner Ober¬ seite 8 mindestens zwei voneinander isolierte Leiterbahnen 41, 42 auf. Das Bauteil 40 ist über kleine elektrische Ver¬ bindungselemente 43 mit seiner Unterseite mit der Leiterbahn 42 - z.B. durch Lötung - elektrisch leitend verbunden. Das
Bauteil 40, die Verbindungseiemente 43 und die Leiterbahn 42 unterhalb des Bauteils sind durch eine Isolierung 45 abge¬ deckt. Mittels kaltgespritzter Metallisierung 46 ist eine e- lektrische Verbindung der Bauteiloberseite 47 mit der Leiter- bahn 41 realisiert.
Figur 8 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine Metallisierung 50 zur elektri¬ schen Abschirmung bzw. gegen EMV-Störungen ausgebildet ist. Dazu kann die Metallisierung 50 - wie im Zusammenhang mit Fi¬ gur 1 ausführlich erläutert - auf die (innere) Oberfläche 51 eines nicht leitenden, als Gehäuseschale ausgebildeten Sub¬ strats 53 kaltgespritzt sein. Hier wird bevorzugt für die
Herstellung der kaltgespritzten Metallisierung 50 ein sehr gut leitendes Ausgangsmaterial, wie z.B. Kupfer oder Gold, verwendet. Dadurch können elektromagnetische Störungen an dem Austreten aus dem bzw. Eindringen in das Gehäuse 53 gehindert werden. Zusätzlich oder alternativ könnte die Metallisierung auch auf der äußeren Oberfläche 54 der Gehäuseschale 53 auf¬ gebracht sein. Die Gehäuseschale kann ein weiteres Substrat 55 abdecken, das z.B. wie vorstehend beschrieben metallisiert sein kann.
Figur 9 zeigt eine Anordnung mit einer Verbindung von zwei Leitern in unterschiedlichen Ebenen. Ein Substrat 9 weist ei¬ ne erste Ebene 60 mit einer metallischen Beschichtung oder Leiterbahn 61 und eine zweite Ebene 62 mit einer Beschichtung oder Leiterbahn 63 auf. Um die Leiterbahnen 61, 63 elektrisch zu verbinden, ist eine Metallisierung 65 vorgesehen, die aus einem kaltgespritzten, gut leitenden Material wie z.B. Kupfer besteht. Diese erstreckt sich unter leitender Verbindung der Leiterbahnen 61, 63 durch eine Ausnehmung 66 in dem Substrat. Bevorzugt ist die Ausnehmung konisch, also mit zueinander weisenden Abschrägungen ausgestaltet. Dies ermöglicht eine bevorzugte senkrechte Bestrahlung des Substrats durch eine Maske 67 mit Öffnungen 68, 69 hindurch.
Die Metallisierung 65 ist durch die Öffnung 68 hindurch er¬ zeugt, wie auch Materialreste 70 in diesem Maskenbereich an¬ deuten. Nur zur Verdeutlichung ist ferner eine Metallisierung bzw. ein Partikelstrahl 6 durch die Öffnung 69 gezeigt. Selbstverständlich können auch mehrere Maskenöffnungen gleichzeitig bestrahlt werden.
Auf diese Art kann beispielsweise ein Substrat für die Über¬ Kopf-Montage (Flip-Chip) eines Bauteils realisiert werden.
Die Leiterbahnen können dabei auch zur externen Kontaktierung des Bauteils dienen.
Figur 10 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens zur Herstellung einer Anordnung mit teilweise freien kragträgerartigen Kontaktanschlüssen. Ein Substrat 9 wird hier mit seiner Oberseite 8 in Bezug auf eine Stützebene 71 eines nur gestrichelt angedeuteten Trägers 72 plan und fluch¬ tend ausgerichtet. Anschließend wird wie schon ausführlich erläutert z.B. durch Maskierung mindestens ein elektrischer Anschlusskontakt 74, 75, 76, 77 durch Kaltgasspritzen von Me¬ tallisierungen 78 ausgebildet. Die Metallisierungen sind je¬ weils in elektrischem Kontakt mit einer Anschlussfläche 81, 82, 83, 84. Während der Herstellung befindet sich die Sub- stratoberfläche also in einer Ebene mit einem umgebenden (ge¬ strichelt angedeuteten) Trägersubstrat, das nach Fertigstel¬ lung der Metallisierungen entfernt wird. Damit entstehen die in Figur 10 erkennbaren überstehenden kragträgerartigen An¬ schlusskontakte. Auch hier kann eine Abstützung der An- Schlusskontakte durch z.B. gehäuseseitige Elemente erfolgen.
Figur 11 zeigt schließlich die Verhältnisse bei Verwendung eines Substrats 90 aus einem weichen Basismaterial, das mit harten Körnern verfüllt ist. Der Ausgangszustand des Sub- strats ist in Figur 11 links schematisch dargestellt; man er¬ kennt weicheres Basismaterial (z.B. Kunststoff) 91 und darin eingelagerte Füllpartikel oder Körner 92 aus einem harten Ma¬ terial, z.B. Keramikkörner. Nach dem zunächst bei Beginn der Bestrahlung der Substratoberfläche 93 der aus der Düse 7 aus- tretende Partikelstrahl 6 vermehrt das weiche Basismaterial
91 abträgt und so ein harter Restfüllkörper verbleibt (mitt¬ lerer Teil der Figur 11) , erfolgt die eigentliche Metallisie¬ rung (Schichtabscheidung) erst anschließend (rechter Teil der
Figur 11) , wodurch die Metallisierung 95 eine besonders feste Verbindung mit den zurückgebliebenen harten Körnern 92 ein¬ geht.
Bezugszeichenliste:
1 Fördergas
2 Einrichtung 3 Heizelement
4 Pulverzufuhr
5 Ausgangsmaterial (Beschichtungswerkstof f )
6 Kupferpartikel
7 Düse 8 Oberseite
9 Substrat 9a Senkloch
10 Metallisierung
11 Leiterbahn IIa Widerstandsmaterial
12 Richtung
14 Leiterbahn
15 Leiterbahn
16 Verbindung 18 Leiter
19 Anschlusskontakt
20 Leiter
21 Metallisierung
22 Gehäuse 23 Metallisierung
25 elektrischer Leiter
26 Bauteil
27 Isolator
28 Öffnung 29 Leiterbahn
30 Metallisierung
31 Leistungshalbleiter (Bauteil)
32 Isolator
33 Schaltungsplatine
34 Ausnehmung
35 Oberseite
36 Leiterbahnen
37 Metallisierung
38 Kühlelernent
40 Bauteil
41 Leiterbahn
42 Leiterbahn
43 Verbindungselemente
45 Isolierung
46 Metallisierung
47 Bauteiloberseite
50 Metallisierung
51 Oberfläche
53 Substrat
54 Oberfläche
55 weiteres Substrat
60 erste Ebene
61 Leiterbahn
62 zweite Ebene
63 Leiterbahn
65 Metallisierung
66 Ausnehmung
67 Maske
68 Öffnung
69 Öffnung
70 Materialreste
71 Stützebene
72 Träger
74 Anschlusskontakt
75 Anschlusskontakt
76 Anschlusskontakt
77 Anschlusskontakt
78 Metallisierungen
81 Anschlussfläche
82 Anschlussfläche 83 Anschlussfläche
84 Anschlussfläche
90 Substrat
91 Basismaterial 92 Füllpartikel
93 Substratoberfläche
95 Metallisierung
Next Patent: BRUSH MADE OF RIGID FOAM