Beschreibung

SUBSTRAT

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Substrat, das einen keramischen Grundkörper umfasst.

Substrate sind weitverbreitete Komponenten in der

industriellen Fertigung, um mikroelektronische Bauteile, wie integrierte Schaltkreise, und Leistungshalbleiter, wie LEDs darauf anzuordnen und zu kontaktieren. Die so verbauten mikroelektronischen Bauteile und Leistungshalbleiter können anschließend auf einfache Weise in weitere elektronische Bauteile integriert werden.

Aufgrund stetig steigender Anforderungen bezüglich der

Miniaturisierung und Leistungsfähigkeit der weiteren

elektronischen Bauteile, ist es notwendig die Anzahl der mikroelektronischen Bauteile und Leistungshalbleiter, die auf einer gegebenen Fläche eines Substrats verbaut werden können, zu erhöhen. Daraus resultieren steigende Anforderungen an das Substrat bezüglich der Anzahl an Umverdrahtungen auf der gegebenen Fläche des Substrats und thermischen

Leitfähigkeiten von Substratmaterialien. Insbesondere die thermische Leitfähigkeit des Substratmaterials ist ein wichtiger Faktor. Bei steigender Anzahl an

mikroelektronischen Bauteilen und Leistungshalbleitern, die auf der gegebenen Fläche des Substrats verbaut werden müssen, muss die von den mikroelektronischen Bauteilen und

Leistungshalbleitern erzeugte Wärme zunehmend effizienter abgeleitet werden, um ein Überhitzen der Bauteile zu

verhindern . Herkömmliche Substrate bestehen oft aus polymerbasierten Verbundmaterialien, die zwar eine ausreichend hohe Anzahl an Umverdrahtungen ermöglichen, aber eine sehr geringe

Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dadurch ist die Anzahl an mikroelektronischen Bauteilen und Leistungshalbleiter, die, trotz der ausreichend hohen Anzahl an Umverdrahtungen, auf dem Substrat verbaut werden können begrenzt und eine weitere Miniaturisierung wird erschwert.

Als ausreichend hohe Anzahl an Umverdrahtungen wird hier und im Folgenden eine Anzahl an Umverdrahtungen bezeichnet, die es ermöglicht die Anzahl an mikroelektronischen Bauteilen und Leistungshalbleitern, die auf der gegeben Fläche des

Substrats verbaut werden können, soweit zu erhöhen, dass eine Miniaturisierung und/oder Leistungssteigerung der weiteren Bauteile erreicht werden kann.

Um eine Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit zu

erreichen werden herkömmlicherweise Substrate verwendet, die metallische Einlagen aufweisen. Bauartbedingt erlauben solche Substrate im Bereich der metallischen Einlagen keine

Durchkontaktierungen und Umverdrahtungen innerhalb des

Substrats, was zu einer Verringerung der Anzahl an

mikroelektronischen Bauteilen und Leistungshalbleitern, die auf der gegebenen Fläche des Substrats verbaut werden können, führt. Dadurch wird eine weitere Miniaturisierung erschwert. Des Weiteren ist die thermische Leitfähigkeit solcher

Substrate auf 7 bis 8 W/m-K limitiert, was ebenfalls eine weitere Miniaturisierung und Leistungssteigerung erschwert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher das

Bereitstellen eines Substrates, das eine thermische

Leitfähigkeit größer als 8 W/m-K aufweist und es ermöglicht eine ausreichend hohe Anzahl an Umverdrahtungen

bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Substrat nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des Substrates sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß wird ein Substrat, das einen keramischen Grundkörper und eine organische Oberflächenstruktur an mindestens einer ersten Außenfläche des keramischen

Grundkörpers aufweist, bereitgestellt. In die organische Oberflächenstruktur sind äußere Umverdrahtungen integriert. Die Kombination eines keramischen Grundkörpers mit einer organischen Oberflächenstruktur erlaubt es die Vorteile beider Materialen zu vereinen. So weist der keramische

Grundkörper eine thermische Leitfähigkeit auf, die weitaus höher ist als die eines herkömmlichen polymerbasierten

Substrates. Andererseits erlaubt die organische

Oberflächenstruktur die Herstellung von äußeren

Umverdrahtungen in ausreichend hoher Anzahl, was eine weitere Miniaturisierung und Steigerung der Leistungsfähigkeit ermöglicht .

Ferner kann die organische Oberflächenstruktur des

erfindungsgemäßen Substrats eine Vielzahl von organischen Schichten aufweisen. Ein mehrschichtiger Aufbau der

organischen Oberflächenstruktur ermöglicht es, im Vergleich zu einem einschichtigen Aufbau der organischen

Oberflächenstruktur, die Anzahl der äußeren Umverdrahtungen auf einer gegebenen Fläche des erfindungsgemäßen Substrats weiter zu erhöhen. Dadurch lässt sich die Anzahl an verbauten mikroelektronischen Bauteilen und Leistungshalbleitern auf der gegebenen Fläche des erfindungsgemäßen Substrats weiter erhöhen, wodurch eine weitere Miniaturisierung ermöglicht wird. Des Weiteren lässt sich durch die höhere Anzahl an mikroelektronischen Bauteilen und Leistungshalbleitern, die auf der gegebenen Fläche des erfindungsgemäßen Substrats verbaut sind, auch die Leistungsfähigkeit von weiteren

Bauteilen verbessern, die das erfindungsgemäße Substrat mit den darauf verbauten mikroelektronischen Bauteilen und

Leistungshalbleitern umfassen. So kann beispielweise die Anzahl an LEDs in einem LED-Modul mit gegebener Fläche erhöht werden, wodurch die Eigenschaften des LED-Moduls verbessert werden können.

Des Weiteren können die organischen Schichten der organischen Oberflächenstruktur des erfindungsgemäßen Substrats jeweils unterschiedliche organische Materialien als Hauptbestandteil enthalten. Mit anderen Worten, jede organische Schicht kann eine andere Zusammensetzung aufweisen. Dadurch lassen sich Eigenschaften der organischen Schichten, wie thermische

Ausdehnung, optische Absorption und Reflektion, so anpassen, dass sie den gewünschten Anforderungen entsprechen.

Insbesondere kann der Hauptbestandteil der organischen

Oberflächenstruktur des erfindungsgemäßen Substrats,

ausgewählt sein aus einer Gruppe, umfassend Fotolacke und gefüllte Polymere.

Ein gefülltes Polymer ist ein Polymer, das einen Füllstoff enthält, der die Eigenschaften des Polymers verbessert. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats kann der Hauptbestandteil der organischen Oberflächenstruktur ein gefülltes Polymer umfassen, das mit Keramikpartikeln gefüllt ist, um seine thermische Leitfähigkeit zu erhöhen. Dadurch lassen sich die auf dem erfindungsgemäßen Substrat verbauten mikroelektronischen Bauteile und Leistungshalbleiter noch besser vor Überhitzung schützen.

Durch die Verwendung eines Fotolacks kann die organische Oberflächenstruktur des erfindungsgemäßen Substrats sehr einfach und präzise ausgebildet werden. Dadurch können

Abstände zwischen einzelnen Umverdrahtungen so klein

ausgebildet werden, dass eine weitere Miniaturisierung und/oder Leistungssteigerung ermöglicht wird.

In einer vorteilhafteren Ausführungsform kann auf der ersten Außenfläche des keramischen Grundkörpers des

erfindungsgemäßen Substrats eine Passivierungsschicht

aufgebracht sein. Auf dieser Passivierungsschicht ist die organische Oberflächenstruktur ausgebracht. Mit anderen

Worten, die Passivierungsschicht befindet sich zwischen der ersten Außenfläche des keramischen Grundkörpers und der organischen Oberflächenstruktur. Die soeben beschriebene Anordnung der Passivierungsschicht und der organischen

Oberflächenstruktur kann analog für mehr als eine Außenfläche des keramischen Grundkörpers angewendet werden.

Die Passivierungsschicht schützt den keramischen Grundkörper vor möglicher Korrosion, die während der Herstellung der organischen Oberflächenstruktur, beispielsweise durch die verwendeten Lösungsmittel, auftreten kann. Die

Passivierungsschicht kann anorganische Materialien enthalten, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, umfassend Si0 ₂ , SiN,

A1N und Gläser.

Ferner kann die organische Oberflächenstruktur des

erfindungsgemäßen Substrats einen thermischen

Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der dem des keramischen Grundkörpers entspricht. Die Abweichung des thermischen

Ausdehnungskoeffizienten der organischen Oberflächenstruktur bezogen auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Grundkörpers beträgt maximal ± 1 ppm/K.

Insbesondere kann die organische Oberflächenstruktur einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der in einem Bereich zwischen 2 ppm/K bis 12 ppm/K liegt. Durch die sehr ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der

organischen Oberflächenstruktur und des keramischen

Grundkörpers des erfindungsgemäßen Substrats werden

Spannungen zwischen der organischen Oberflächenstruktur und dem keramischen Grundkörper während einer thermischen

Belastung, zum Beispiel durch die abgegebene Wärme eines Leistungshalbleiters, weitestgehend vermieden. Daraus resultiert eine höhere Lebensdauer des erfindungsgemäßen Substrats .

Weiterhin kann der keramische Grundkörper des

erfindungsgemäßen Substrats eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 8 W/m-K aufweisen. In vorteilhafteren

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Substrats kann der keramische Grundkörper eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 20 W/m-K, insbesondere von mehr als 100 W/m-K aufweisen. Solch eine hohe thermische Leitfähigkeit ermöglicht es, die von den auf dem Substrat verbauten mikroelektronischen

Bauteilen und Leistungshalbleitern erzeugte Wärme effizient abzuleiten. Dadurch wird eine Überhitzung der auf dem Träger verbauten Bauteile so gut wie ausgeschlossen, wodurch eine weitere Miniaturisierung und/oder Steigerung der

Leistungsfähigkeit ermöglicht werden kann.

Um eine solch hohe thermische Leitfähigkeit des keramischen Grundkörpers des erfindungsgemäßen Substrats zu ermöglichen, kann der Hauptbestandteil des keramischen Grundkörpers ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend ZnO-Bi, ZnO-Pr, AI2O3 und A1N.

Ferner kann der keramische Grundkörper des erfindungsgemäßen Substrats als Hauptbestandteil eine thermisch leitfähige Funktionskeramik enthalten. Funktionskeramiken sind

Keramiken, deren Eigenschaften für eine Anwendung auf einem technischen Gebiet hin optimiert wurden. So kann eine

Funktionskeramik, beispielsweise eine elektrische

Leitfähigkeit aufweisen, die mit steigender Temperatur ansteigt. Der keramische Grundkörper des erfindungsgemäßen Substrats kann als Hauptbestandteil eine Funktionskeramik aufweisen, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, umfassend Keramiken mit negativen Temperaturkoeffizienten (NTC- Keramiken) , positiven Temperaturkoeffizienten ( PTC-Keramiken) und Varistorkeramiken.

Insbesondere die Verwendung einer Varistorkeramik ermöglicht es, einen Überspannungsschutz innerhalb des keramischen

Grundkörpers des erfindungsgemäßen Substrates zu realisieren. So kann auf die Bereitstellung des Überspannungsschutzes mittels eines diskreten, auf dem Substrat zu montierenden Bauteils verzichtet werden. Dadurch kann das erfindungsgemäße Substrat mitsamt der auf ihm verbauten mikroelektronischen Bauteile und Leistungshalbleiter kompakter konstruiert werden .

Weiterhin kann der keramische Grundkörper des

erfindungsgemäßen Substrats innere Umverdrahtungen und Vias aufweisen. Insbesondere das Vorhandensein von inneren

Umverdrahtungen ermöglicht es, stark beanspruchte Leitungen, wie zum Beispiel Power-Leitungen zu den Leistungshalbleitern oder integrierten Schaltkreisen in den keramischen Grundkörper des erfindungsgemäßen Substrats zu integrieren.

Da der keramische Grundkörper des erfindungsgemäßen Substrats eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist als

herkömmliche polymerbasierte Substrate lässt sich die

abgegebene Hitze solcher Leitungen noch effizienter ableiten und eine Überhitzung der auf dem erfindungsgemäßen Substrat verbauten mikroelektronischen Bauteile und

Leistungshalbleiter kann wirksam verhindert werden.

Um die inneren Umverdrahtungen und den in den keramischen Grundkörper integrierten Überspannungsschutz zu realisieren, kann der keramische Grundkörper des erfindungsgemäßen

Substrats eine Vielzahl von keramischen Schichten umfassen.

Ferner kann der keramische Grundkörper des erfindungsgemäßen Substrats ganz oder teilweise in eine organische Leiterplatte eingebettet sein. Insbesondere kann der Hauptbestandteil der organischen Leiterplatte beispielsweise einen

Verbundwerkstoff aus Epoxidharz und Glasfasern umfassen.

Insbesondere kann der thermische Ausdehnungskoeffizient der organischen Leiterplatte an den thermischen

Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Grundkörpers

angepasst sein, derart, dass der thermische

Ausdehnungskoeffizient der Leiterplatte maximal ± lppm/K von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Grundkörpers abweicht. Dadurch lassen sich Spannungen, die durch thermische Belastungen, beispielsweise durch eine LED, zwischen dem erfindungsgemäßen Substrat und der organischen Leiterplatte entstehen weitgehend verhindern. Dadurch kann die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Substrats, das in die organische Leiterplatte ganz oder teilweise eingebettet ist verlängert werden.

Ferner kann die organische Leiterplatte ebenfalls eine organische Oberflächenstruktur, äußere und innere

Umverdrahtungen aufweisen. Der keramische Grundkörper des erfindungsgemäßen Substrats und die organische Leiterplatte können mittels inneren und äußeren Umverdrahtungen leitend miteinander verbunden sein.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Substrat und/oder die organische Leiterplatte äußere Umverdrahtungen, die aus einem ersten Metall, und innere Umverdrahtungen, die aus einem zweiten Metall bestehen, aufweisen, wobei sich das erste Metall von dem zweiten Metall unterscheidet. Das erste Metall und das zweite Metall können ausgewählt sein aus einer Gruppe von Metallen, umfassend Kupfer und Silber. Die Verwendung unterschiedlicher Metalle ermöglicht es, die

Wärmeausdehnungskoeffizienten der inneren und äußeren

Umverdrahtungen optimal an das Material anzupassen, in dem sie integriert sind. Dadurch werden mechanische Belastungen in dem erfindungsgemäßen Substrat verringert und die

Lebensdauer des erfindungsgemäßen Substrats verbessert.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Substrats kann durch herkömmliche Verfahren erfolgen. Ein solches Verfahren kann beispielsweise die Teilschritte umfassen:

- Bereitstellen eines keramischen Grundkörpers,

-Aufbringen einer Passivierungsschicht auf einer ersten

Außenfläche des keramischen Grundkörpers,

- Aufbringen einer ersten organischen Schicht auf die

Passivierungsschicht, wobei Bereiche auf der Passivierungsschicht, die Teil äußerer Umverdrahtungen werden sollen, nicht beschichtet werden, oder wobei dort die

Beschichtung entfernt wird,

- Aufbringen einer ersten Metallschicht auf die erste

organische Schicht und die Bereiche der Passivierungsschicht, die Teil der äußeren Umverdrahtungen werden sollen,

- Aufbringen einer zweiten organischen Schicht auf die erste Metallschicht, wobei die Bereiche auf der

Passivierungsschicht, die Teil der äußeren Umverdrahtungen werden sollen und Bereiche auf der ersten organischen

Schicht, die ebenfalls Teil der äußeren Umverdrahtungen werden sollen nicht beschichtet werden,

- Aufbringen einer zweiten Metallschicht auf die Bereiche auf der Passivierungsschicht und der ersten organischen Schicht, die die äußeren Umverdrahtungen bilden sollen,

- Entfernen der zweiten organischen Schicht und der ersten Metallschicht um die äußeren Umverdrahtungen zu bilden, wobei die erste Metallschicht nur in den Bereichen entfernt wird, die nicht die äußeren Umverdrahtungen bilden. Ferner werden die Bereiche auf der Passivierungsschicht und der ersten organischen Schicht, die die äußeren Umverdrahtungen bilden, derart ausgebildet, dass ein elektrisch leitender Kontakt zwischen den jeweiligen Bereichen besteht.

Durch Wiederholung der eben aufgeführten Verfahrensschritte gelingt es, eine zweite Ebene oder weitere Ebenen mit

strukturierten Metallisierungen für eine Umverdrahtung herzustellen .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher

beschrieben . Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrates.

Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats mit inneren Umverdrahtungen .

Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats mit inneren Umverdrahtungen und integriertem Überspannungsschutz.

Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Substrats, wobei das erfindungsgemäße Substrat in einer organischen Leiterplatte eingebettet ist.

Gleiche Elemente, ähnliche oder augenscheinlich gleiche

Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse in den

Figuren sind nicht maßstabsgetreu.

Figur 1 zeigt im schematischen Querschnitt eine

Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Substrats, aufweisend einen keramischen Grundkörper 1, eine Passivierungsschicht 12 auf einer ersten Außenfläche 9 und auf einer zweiten

Außenfläche 10 des keramischen Grundkörpers 1. Des Weiteren sind organische Oberflächenstrukturen 2 auf den

Passivierungsschichten 12 ausgebildet. Die

Passivierungsschichten 12 sind beispielsweise 100 nm dick und enthalten zum Beispiel SiN. Die Passivierungsschichten 12 schützen den keramischen Grundkörper 1 vor Korrosion, beispielsweise durch aggressive Lösungsmittel die während der Herstellung der organischen Oberflächenstruktur 2 eingesetzt werden. Ferner sind äußere Umverdrahtungen 3 in die

organischen Oberflächenstrukturen 2 integriert. Aufgrund der organischen Oberflächenstrukturen 2 auf der ersten

Außenfläche 9 und der zweiten Außenfläche 10 ist es möglich, die auf der ersten Außenfläche 9 verbauten

mikroelektronischen Bauteile und Leistungshalbleiter (nicht abgebildet) über Vias 4 mittels Kontakten 5, die auf der zweiten Außenfläche 10 ausgebildet sind, zu kontaktieren. Diese Art der Kontaktierung ermöglicht beispielsweise den Übergang von einer Kontaktierungsebene mit relativ großen Kontaktabständen zu einer Kontaktierungsebene mit relativ kleinen Kontaktabständen. Des Weiteren umfasst der keramische Grundkörper als Hauptbestandteil A1N, das eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 100 W/m-K aufweist. Dies

ermöglicht eine hocheffiziente Ableitung der Wärme, die durch auf dem Substrat verbaute mikroelektronische Bauteile und Leistungshalbleiter (nicht abgebildet) abgegeben wird.

Dadurch wird eine Überhitzung selbiger effizient verhindert. In Kombination mit der organischen Oberflächenstruktur 2, die eine ausreichend hohe Anzahl an äußeren Umverdrahtungen 3 ermöglicht, ist es möglich, Abstände zwischen auf dem

Substrat verbauten Bauteilen zu verringern und somit eine weitere Miniaturisierung und Leistungssteigerung zu

ermöglichen .

Figur 2 zeigt im schematischen Querschnitt eine weitere

Ausführungsform eines Substrats. Zusätzlich zur Ausführung nach Figur 1 weist der keramische Grundkörper 1 innere

Umverdrahtungen 6 auf. Durch die inneren Umverdrahtungen 6 ist es möglich, stark beanspruchte Leitungen in den

keramischen Grundkörper 1, der eine bessere thermische

Leitfähigkeit aufweist als herkömmliche polymerbasierte

Substrate, zu integrieren. Dies stellt einen weiteren Schutz der auf dem Substrat verbauten mikroelektronischen Bauteile und Leistungshalbleiter (nicht abgebildet) vor Überhitzung dar. Dadurch ist es möglich die Anzahl der auf dem Substrat verbauten mikroelektronischen Bauteile und

Leistungshalbleiter auf einer gegebenen Fläche des Substrats zu erhöhen. Dadurch wird eine Überhitzung selbiger effektiv verhindert. Dies ermöglicht eine kompaktere Bauweise des Substrats .

Figur 3 zeigt im schematischen Querschnitt eine andere

Ausführungsform eines Substrats. Zusätzlich zum in Figur 2 beschriebenen weist der keramische Grundkörper einen

Überspannungsschutz 7 auf. Zu diesem Zweck umfasst der keramische Grundkörper 1 eine Varistorkeramik, deren

Hauptbestandteil beispielsweise ZnO-Pr ist. Durch die

Integration des Überspannungsschutzes 7 in den keramischen Grundkörper 1 kann auf die Ausbildung des

Überspannungsschutzes 7 als diskretes Bauteil auf der äußeren Oberfläche des Substrats verzichtet werden. Dies schafft mehr Fläche für mikroelektronische Bauteile und

Leistungshalbleiter die auf dem Substrat verbaut werden können .

Figur 4 zeigt im schematischen Querschnitt eine

Ausführungsform eines Substrats, welches ähnlich wie in Figur 3 ausgebildet sein kann, das aber in eine Aussparung einer Oberfläche 11 einer organischen Leiterplatte 8 eingebettet ist. Die Passivierungsschicht 12, die auf der ersten

Außenfläche 9 des keramischen Grundkörpers aufgebracht ist, schließt bündig mit der Oberfläche 11 der Leiterplatte 8 ab. Der Hauptbestandteil der organischen Leiterplatte 8 kann beispielsweise Glasfasern und Epoxidharz umfassen. Das

Substrat, welches ähnlich dem in Figur 3 beschriebenen ist, und die organische Leiterplatte 8 weisen beide eine

organische Oberflächenstruktur 2 mit integrierten äußeren Umverdrahtungen 3 auf. Das Substrat, welches ähnlich dem in Figur 3 beschriebenen ist, und die organische Leiterplatte 8 sind über innere Umverdrahtungen 6 und äußere Umverdrahtungen 3 leitend miteinander verbunden. Durch die Einbettung des Substrats in die organische Leiterplatte ist es insbesondere möglich, auf Standardgrößen für keramische Grundkörper 1 und für organische Leiterplatten 8 zurückzugreifen, was die

Fertigung vereinfacht und dadurch die Kosten reduziert, da keine Sondergrößen, beispielsweise für den keramische

Grundkörper 1, angefertigt werden müssen.

Bezugszeichenliste

1 keramischer Grundkörper

2 organische Oberflächenstruktur

3 äußere Umverdrahtung

4 Via

5 Kontakt

6 innere Umverdrahtung

7 Überspannungsschütz

8 organische Leiterplatte

9 erste Außenfläche

10 zweite Außenfläche

11 Oberfläche der organischen Leiterplatte

12 PassivierungsSchicht