Schmelzsicherung für einen Chip

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Schmelzsicherung in Chipbauform, die auf einem Trägersubstrat aus einer Al2O3-Keramik aufgebracht ist, mit einem aufschmelz¬ baren metallischen Leiter, der mittels Dünnschichttechnik aufgebracht und struk¬ turiert ist und der mit einer Deckschicht versehen ist, sowie ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung der Chipsicherung.

Stand der Technik

Chipsicherungen werden auf einem keramischen Grundmaterial mit Hilfe dem Fachmann bekannter Verfahren beispielsweise der Photolithographie ausgebil¬ det. Auch andere Trägermaterialen, wie FR-4-Epoxid oder Polyimid sind be¬ kannt. Chipsicherungen werden üblicherweise für eine Spannung bis zu 63 V ausgelegt.

Um eine Beschädigung anderer elektronischer Komponenten durch eine Stö¬ rung in der elektrischen Stromversorgung, die eine Überspannung oder einen zu großen Stromfluss herbeiführt, zu vermeiden ist es bekannt, in der Stromversor¬ gung eine Schmelzsicherung vorzusehen. Die Schmelzsicherung besteht im Wesentlichen aus einem Trägermaterial und einem metallischem Leiter, der bei¬ spielsweise aus Kupfer, Aluminium oder Silber besteht. Durch die Geometrie und den Querschnitt des Leiters wird die maximal mögliche Stromstärke, die durch diesen Leiter fließen kann ohne ihn aufzuschmelzen bestimmt. Wird die¬ ser Wert überschritten so wird der elektrische Leiter aufgrund der in ihm durch seinen elektrischen Widerstand anfallenden Wärme aufgeschmolzen und somit

BESTATIGUNGSKOPIE die Stromversorgung unterbrochen bevor nachgeschaltete elektronische Kom¬ ponenten überlastet oder beschädigt werden.

Bei den Verfahren zur Herstellung von Chipsicherungen in Dickschichttechnik, bei denen die Schmelzelemente und Kontaktschichten als Pasten mittels Sieb- druck auf eine Substratunterlage mit niedriger thermischer Leitfähigkeit aufge¬ bracht werden sind ausreichende Präzisionen der Geometrie der Schmelzele¬ mentschichten durch das Siebdruckverfahren prozessbedingt nur unzureichend realisierbar. Für höherwertige Dickschichtsicherungen ist es daher notwendig, durch zusätzliche Laserschnittverfahren das Schmelzelement bzw. den auf¬ schmelzbaren metallischen Leiter zu bearbeiten.

Üblicherweise werden als Substratunterlage ganzflächig glasierte Keramiksub¬ strate mit hohem A^Oa-Anteil oder aluminiumoxidarme Keramiksubstrate mit niedriger thermischer Leitfähigkeit gewählt. Beide Substratarten sind im Ver¬ gleich zu herkömmlichen Keramiksubstraten, z. B. aus 96% AI2O3 in Dick¬ schichtqualität, die in der Herstellung passiver Bauelemente Verwendung fin¬ den, erheblich teurer.

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Schmelzsicherung in Dünnschicht¬ technik wird ein aufschmelzbarer metallischer Leiter durch elektrochemische Verfahren oder durch Sputtern aufgebracht. Eine besonders hohe Präzision der Abschalt- bzw. Schmelzcharakteristik wird dabei durch photolithographische Strukturierung von gesputterten Schichten erreicht, wobei als Unterlage ein a- luminiumoxidarmes Substrat mit niedriger thermischer Leitfähigkeit dient.

Die JP 2003/173728 A offenbart ein Herstellungsverfahren für eine Chip- Schmelzsicherung in Dünnschichttechnologie, wobei auf einem Substrat 11 eine Schmelzsicherung 14 sowie eine Deckschicht 15 angeordnet wird. Die Schmelzsicherung 14 wird mittels Photolithographie strukturiert. Das Substrat 11 weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, um die durch den elektrischen Leiter 14 fließenden Strom verursachte Wärme im elektrischen Leiter 14 nicht abzu¬ führen und dadurch ein Aufschmelzen des elektrischen Leiters 14 zu begünsti- gen. Der elektrische Leiter 14 steht in unmittelbaren Kontakt mit dem Substrat 11.

Die JP 2002/140975 A beschreibt eine Schmelzsicherung mit einem metalli¬ schen Leiter 14 aus Silber, der ebenfalls unmittelbar auf einem Substrat 11 mit geringer thermischer Leitfähigkeit angeordnet ist, wobei der metallische Leiter 14 galvanisch abgeschieden wird oder als Dickschicht ausgebildet ist.

Die JP 2003/151425 A offenbart eine Schmelzsicherung mit einem Glaskeramik- Substrat 11 mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit und einem metallischen Leiter 14 in Dickschichttechnologie.

Die JP 2002/279883 A beschreibt ebenfalls eine Schmelzsicherung für einen Chip, bei der der aufschmelzbare Bereich 17 eines Leiters 15 durch eine auf¬ wändige Laserbearbeitung hergestellt ist. Dies erfordert zusätzliche zeit- und kostenintensive Bearbeitungsschritte.

Die JP 2003/234057 A offenbart einen Sicherungswiderstand mit einem Wider¬ stand 30 auf einem Substrat 10 wobei zwischen dem Widerstand 30 und dem Substrat 10 eine weitere wärmespeichernde Schicht 42 vorgesehen ist, um die im Widerstand 30 anfallende Wärme zu speichern. Der aufschmelzbare Bereich wird ebenfalls durch Laserbearbeitung hergestellt.

Die JP 08/102244 A beschreibt eine Schmelzsicherung 10 in Dickschichttechno¬ logie mit einer Glas-Glasurschicht 2 mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit wobei die Glasschicht 2 auf einem Keramiksubstrat 1 angeordnet ist und auf der Glasschicht 2 eine Schmelzsicherung 3 aufgebracht wird.

Die JP 10/050198 A offenbart eine weitere Schmelzsicherung in Dünnschicht¬ technologie mit einem aufwändigen Schichtaufbau, bei dem auf dem Leiter 3 und einer Glasschicht 5 eine weitere elastische Silikonschicht 6 ausgebildet ist. Die DE 197 04 097 A1 beschreibt ein elektrisches Sicherungselement mit einem Schmelzleiter in Dickschichttechnologie und einem Träger wobei der Träger aus einem schlecht wärmeleitenden Material besteht, insbesondere aus einer Glas¬ keramik.

Die DE 695 12 519 T2 offenbart eine oberflächenmontierte Sicherungsvorrich¬ tung, wobei ein Dünnschicht-Schmelzleiter auf einem Substrat angeordnet ist und das Substrat vorzugsweise ein FR-4-Epoxid oder ein Polyamid ist.

Bekannt sind also zum einen Verfahren zur Herstellung von Chipsicherungen in Dickschichttechnologie unter Verwendung von Spezialkeramiken oder auch AbO3 Keramiken und einer thermisch isolierenden Zwischenschicht, zum ande¬ ren Chipsicherungen in Dünnschichttechnologie unter Verwendung von Spezial¬ keramiken oder anderer spezieller Trägermaterialien.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Schmelzsicherung anzugeben, die kostengünstig und mit ausreichender Präzision herstellbar ist wobei ihre Schmelzcharakteristik genau definierbar sein soll. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung der Schmelzsicherung angegeben werden.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 11 gelöst

Kerngedanke der Erfindung ist es, die Vorteile eines kostengünstigen Herstel¬ lungsprozesses für passive Bauelemente mit den Vorteilen einer Dünnschicht¬ technologie und der präzisen photolithographischen Strukturierung zu kombinie¬ ren, was durch die Verwendung einer thermisch isolierenden Zwischenschicht auf AI2O3 Keramik in Kombination mit der Dünnschichttechnologie und der pho¬ tolithographischen Strukturierung realisiert wird.

Der Kemgedanke der Erfindung besteht also darin, dass zwischen einem kos¬ tengünstigen Keramiksubstrat als Träger mit hoher thermischer Leitfähigkeit und dem eigentlichen aufschmelzbaren metallischen Leiter eine Zwischenschicht vorgesehen ist, die entweder durch ein kostengünstiges Verfahren, vorzugswei¬ se im Inseldruckverfahren aufgebrachte niedrigschmelzende anorganische Glaspaste oder durch eine im Inseldruck aufgebrachte organische Schicht ge¬ bildet ist. Aufgrund der niedrigen thermischen Leitfähigkeit dieser Zwischen¬ schicht wird die im metallischen Leiter durch den durch diesen hindurchfließen¬ den Strom entstehende Wärme nicht nach unten hin durch das Trägersubstrat mit einer üblicherweise höheren thermischen Leitfähigkeit abgeführt, so dass bei einer definierten Stromstärke im Leiter dieser in gewünschter Weise aufschmilzt. Diese Zwischenschicht dient als thermischer Isolator. In bevorzugter Weise wird als Zwischenschicht eine niedrig schmelzende anorganische Glaspaste verwen¬ det, die insbesondere im Siebdruckverfahren auf das Trägersubstrat aufge¬ bracht wird. Dies bietet gegenüber anderen Substraten mit niedriger thermischer Leitfähigkeit einen wesentlichen Vorteil, da letztere praktisch nur als Sonderan¬ fertigungen lieferbar bzw. herstellbar sind, wohingegen durch das Aufbringen von Glasinseln als thermisch isolierende Zwischenschicht jetzt preisgünstige Standardkeramiken genutzt werden können, wobei auch solche mit nur mäßiger Oberflächenbeschaffenheit (Dickschichtqualität) zum Einsatz kommen können. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Zwischenschicht eine organische Zwi¬ schenschicht, die insbesondere im Inseldruck aufgebracht und nachfolgend in dem Fachmann bekannter Weise durch Wärmeeinwirkung in das Trägersubstrat eingebrannt bzw. ausgehärtet wird. Hierbei kann durch den einfach durchzufüh¬ renden Inseldruck ebenfalls eine beliebige Formgebung der Zwischenschicht erhalten, sowie die Verwendung von AI2O3 Keramiken als Trägermaterial ge¬ nutzt werden.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine kostengünstige Standardke¬ ramik, eine kostengünstig im Siebdruckverfahren herstellbare thermisch isolie¬ rende Zwischenschicht mit dem Vorteil der Dünnschichttechnik und der Photoli¬ thographischen Strukturierung kombiniert werden kann. Hierdurch können hochpräzise und kostengünstige Schmelzsicherungen in miniaturisierter Ausfüh¬ rung zur Absicherung elektronischer Baugruppen vor Fehlströmen hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In vorteilhafter Weise wird als Trägersubstrat für die Schmelzsicherung ein Alu¬ miniumoxidsubstrat verwendet, das von praktisch allen Herstellern derartiger Keramiksubstrate preisgünstig und in beliebiger Form und Größe verfügbar ist und z. B. in der Massenproduktion der Widerstandshersteller Verwendung fin¬ det. Derartige Aluminiumoxid-Keramiksubstrate können bereits mit Vorkerbun- gen in Form der später aus dem Substrat herzustellenden Chips herstellerseitig versehen sein. Bei beiden vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen werden die Zwischenschichten beispielsweise im Bereich der herstellerseitig vorgege¬ benen Vorkerbungen aufgebracht, um bei einem späteren Vereinzelungspro- zess der Chips das Trägersubstrat in bekannter Weise ohne Beschädigung der Zwischenschichten durch Brechprozesse zu trennen.

Um die Haftung des metallischen Leiters auf der Zwischenschicht zu verbessern kann unmittelbar auf der Zwischenschicht eine anorganische oder eine organi¬ sche Haftvermittlerschicht im Sprühverfahren oder durch Sputtern aufgebracht sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der metallische Leiter durch eine nied- rigohmige Metallschicht gebildet, um den Schmelzpunkt der Schmelzsicherung genau einstellen zu können.

In einer ersten Ausgestaltung wird diese Metallschicht durch Sputtern auf die Zwischenschicht bzw. die Haftvermittlerschicht aufgebracht. Würde die gesput- terte Metallschicht auf ein ganzflächig glasiertes Trägersubstrat aufgebracht würde dies zu einer verminderten Haftung führen, so dass bei einem Vereinze- lungsprozess mittels Brechen eine Delamination der Metallschicht im Vorkon- taktbereich auftreten könnte. Durch das Aufbringen der Metallschicht auf eine thermisch isolierende Insel in Form einer Zwischenschicht mit niedriger thermi¬ scher Leitfähigkeit ist die gute Haftung der Metallschicht im Kontaktbereich auf der rauheren Aluminiumoxidkeramik gewährleistet, da durch diese Glasinseln im Bereich der Schmelzsicherung glatte Oberflächen erzeugt werden, wodurch die photolithographische Strukturierung der Schmelzsicherung besonders präzise erfolgen kann, da im Gegensatz hierzu Trägersubstrate aus thermisch schlecht leitenden Keramiken höhere Oberflächenrauhigkeiten aufweisen, die für eine präzise photolithographische Strukturierung ungünstig sind.

Zur Strukturierung des metallischen Leiters in Form der gewünschten Schmelz¬ sicherung ist vorgeschlagen, dass dies durch positive oder negative Lithogra¬ phie erfolgt. Bei einem positiven Lithographieprozess wird beispielsweise ganz¬ flächig eine Metallschicht auf der darunter angeordneten Schicht abgeschieden, beispielsweise Kupfer, und anschließend die gewünschte Struktur photolitho¬ graphisch in die Schicht geätzt. Bei einem negativen Lithographieprozess wird auf die darunter liegende Schicht, d. h. die Zwischenschicht oder die Haftver¬ mittlerschicht, zuerst ein Photolack abgeschieden, beispielsweise aufgesprüht, und anschließend in gewünschter Weise photolithographisch strukturiert. An¬ schließend wird eine Metallschicht, beispielsweise ein gesputterter Kupferfilm, darauf abgeschieden und die verbleibenden Lackbereiche mit dem Metallfilm darauf abgelöst.

Zum Schutz der Schmelzsicherung wird auf den metallischen Leiter oder vor¬ zugsweise die gesamte Schmelzsicherung überdeckend eine oder mehrere Deckschichten aufgebracht, die u. a. auch durch eine anorganische Sperr¬ schicht gebildet sein kann. Die organische Deckschicht ist insbesondere ein Po¬ lyamid, Polyimid oder ein Epoxid und kann auch mehrschichtig ausgeführt sein.

Zur Kontaktierung der Schmelzsicherung werden die Endkontakte des metalli¬ schen Leiters durch galvanisches Abscheiden einer metallischen Barriere¬ schicht, typischerweise aus Nickel, und der abschließenden lötfähigen oder bondfähigen Schicht, typischerweise aus Zinn oder Zinnlegierungen, erzeugt. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : den Herstellungsprozess einer Schmelzsicherung in sechs Schritten.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Herstellungsprozess einer Schmelzsicherung 100 wird zuerst auf einem Trägersubstrat 10 (Schritt a)), vorzugsweise einer Aluminiumoxidkeramik, eine thermisch isolierende Zwischenschicht 11 in Insel¬ form abgeschieden (Schritt b)). Auf diese Zwischenschicht 11 sowie das umge¬ bende Trägersubstrat 10 wird eine Haftschicht 12 zur Verbesserung der Haftung des metallischen Leiters 13 auf dem Untergrund aufgebracht (Schritt c)). An¬ schließend wird der metallische Leiter 13 auf die Haftschicht 12 aufgebracht, beispielsweise eine Kupferschicht aufgesputtert und in gewünschter Weise pho¬ tolithographisch strukturiert (Schritt d)).

Hierbei wird durch die Dicke und Breite des Stegs im mittleren Bereich des me¬ tallischen Leiters 13 die maximale Stromstärke vorgegeben bei deren Über¬ schreiten dieser Steg aufschmilzt und somit andere elektronische Bauteile vor einer Beschädigung geschützt werden. Durch die thermisch isolierende Zwi¬ schenschicht wird der Wärmeübertrag in das Trägersubstrat 10 stark unter¬ drückt, so dass der Schmelzpunkt der Schmelzsicherung 100 präzise definierbar ist.

Nachfolgend wird die Schmelzsicherung 100 bzw. der mittlere Bereich des me¬ tallischen Leiters 13 mit einer organischen Deckschicht 14, beispielsweise ei¬ nem Polyamid oder einem Epoxid überzogen, um die Schmelzsicherung 100 gegen Beschädigungen zu schützen. Zur Kontaktierung werden die Endkontakte 15 des metallischen Leiters 13 galvanisiert, beispielsweise mit Nickel und Zinn. BEZUGSZEICHENLISTE

100 Schmelzsicherung 10 Trägersubstrat 11 Zwischenschicht 12 Haftschicht 13 metallischer Leiter 14 Deckschicht 15 Endkontakt