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Dokumentenidentifikation DE102006019602A1 23.11.2006
Titel Leiterplatte
Anmelder Fuji Electric Holdings Co., Ltd., Kawasaki, JP
Erfinder Okamoto, Kenii, Yokosuka, Kanagawa, JP
Vertreter Hoffmann, E., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 82166 Gräfelfing
DE-Anmeldedatum 27.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006019602
Offenlegungstag 23.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.11.2006
IPC-Hauptklasse H01L 23/12(2006.01)A, F, I, 20060427, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H05K 7/20(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   H05K 3/44(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   H05K 3/14(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   H05K 1/03(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   H01L 23/498(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   H01L 23/36(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   H01L 29/78(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   H01L 29/739(2006.01)A, L, I, 20060427, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei einer Leiterplatte, bei der ein Schaltungsmuster (3) durch Anheften einer Metallfolie (3) auf einer Isolierschicht (2) ausgebildet ist, ist ein Aufbauschaltungsmuster (5) dadurch ausgebildet, dass weiter ein Aufbauen der Dicke durch Aufbringen des Metallmaterials auf der Oberseite dieses Schaltungsmusters (3) mittels des Kaltspritzprozesses erfolgt. Demzufolge kann, sogar, wenn auf diesem Aufbauschaltungsmuster (5) vergrößerter Dicke ein Leistungshalbleiter (6) montiert ist, die Wärme, die durch in diesem auftretende Verluste erzeugt wird, durch das Aufbauschaltungsmuster (5) abgeleitet werden, wodurch eine Verringerung des Wärmewiderstandes ermöglicht wird und es ermöglicht wird, eine Leiterplatte aufzubauen, die eine hervorragende Wärmeableitung und einen stark verminderten Wärmewiderstand im Vergleich zu einer herkömmlichen Leiterplatte aufweist, bei der kein derartiges Aufbauschaltungsmuster (5) vorhanden ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte, und insbesondere eine Leiterplatte mit hervorragenden Wärmeableitungseigenschaften, die für eine Anwendung bei Stromversorgungsgeräten für industrielle Zwecke geeignet ist.

In Stromversorgungsgeräten verwendete Halbleitermodule haben einen weiten Einsatzbereich, und zwar über Haushaltsgeräte, wie beispielsweise Heimklimaanlagen oder Haushaltskühlschränken, bis zu industriellen Geräten, wie beispielsweise Wechselrichtern oder Servosteuereinrichtungen. Insbesondere wird eine Metallbasis-Leiterplatte oder eine keramische Leiterplatte, die hervorragende Wärmeableitungseigenschaften aufweist, beispielsweise in IGBT-(Isolated Gate Bipolar Transistor)-Modulen verwendet, die Leistungshalbleiter enthalten, und zwar um der großen Wärmemenge Rechnung zu tragen, die von diesen erzeugt wird.

3 ist eine Ansicht, welche einen Querschnitt eines Aufbaus einer herkömmlichen Metallbasis-Leiterplatte darstellt.

Eine Metallbasis-Leiterplatte weist eine aus drei Schichten bestehende Struktur auf, die eine Metallbasis 101, eine auf der Oberseite dieser Metallbasis 101 ausgebildete Isolierschicht 102 und ein auf der Oberseite dieser Isolierschicht 102 ausgebildetes Schaltungsmuster 103 beinhaltet. Für die Metallbasis 101 wird ein Metall mit hervorragenden Wärmeableitungseigenschaften verwendet, beispielsweise eine Aluminiumtafel oder eine Kupfertafel. Die Isolierschicht 102 weist beispielsweise ein Epoxidharz auf, das einen anorganischen Füllstoff wie beispielsweise SiO2, Al2O3 oder AlN enthält.

Für das Schaltungsmuster 103 wird für gewöhnlich eine Kupferfolie verwendet, manchmal wird jedoch eine Aluminiumfolie verwendet. Im Fall einer Kupferfolie beträgt deren Dicke für gewöhnlich ca. 35 &mgr;m bis 140 &mgr;m. Diese Kupferfolie wird verarbeitet, um ein vorgeschriebenes Schaltungsmuster zu bilden, und zwar mittels Nassätzen. Im Fall eines Leistungshalbleiters, der eine geringe Stromkapazität von ca. 10 A hat und wenig Wärme erzeugt, kann der Leistungshalbleiter direkt an diesem Schaltungsmuster 103 durch Verlöten montiert werden. Im Fall eines Leistungshalbleiters großer Stromkapazität erhöht man die Dicke der Kupferfolie auf ca. 140 &mgr;m, um den Wärmewiderstand durch bessere Verteilung der Wärme über dieses Schaltungsmuster 103 zu verringern. Falls 140 &mgr;m nicht ausreichen, kann sogar eine noch dickere Kupferfolie, beispielsweise mit einer Dicke von 200 &mgr;m oder 250 &mgr;m verwendet werden. Außerdem wird, wenn die Dicke des Schaltungsmusters 103 mehr als 1 mm beträgt, beispielsweise wenn eine Dicke von 3 bis 4 mm verwendet wird, ein Wärmeausbreitungseffekt bewirkt, der ermöglicht, dass sich die im Leistungshalbleiter erzeugte Wärme in Transversalrichtung ausbreitet, wodurch der Wärmewiderstand stark reduziert wird.

Die Isolierschicht 102, die in einer Metallbasis-Leiterplatte verwendet wird, muss zuverlässig isolieren und eine hervorragende Wärmeableitungseigenschaften aufweisen. Weitere der Isolierschicht 102 zu fordernde Eigenschaften sind: gute Fähigkeit zur Minderung mechanischer Spannungen, gute Feuchtigkeitsbeständigkeit und Wärmebeständigkeit und dergleichen; in dieser Hinsicht geeignete Harzzusammensetzungen sind bekannt (siehe beispielsweise JP 2002-12653 A, JP 2002-76549 A und JP 2002-114836 A).

Eine solche Metallbasis-Leiterplatte wird als Leiterplatte verwendet, auf der Bauelemente, die eine große Menge an Wärme erzeugen, beispielsweise Leistungshalbleiter, montiert werden, wobei das Schaltungsmuster 103 mit der Metallbasis 101 unter Zwischenlage der Isolierschicht 102 mit hervorragenden Wärmeableitungseigenschaften mittels Bonden verbunden ist.

Jedoch gibt es im Fall eines Epoxidharzes, das anorganische Füllstoffe, wie SiO2, Al2O3 oder AlN enthält, Grenzen in Bezug auf den Füllstoffgehalt, so dass der Wärmeleitungskoeffizient eines derartigen Materials aktuell ca. 7 bis 10 W/m·K beträgt. Es gibt daher auch Grenzen für die Stromkapazität der Leistungshalbleitermodule, bei denen diese verwendet werden können: aktuell können sie lediglich bei Modulen bis zur Kategorie von 50 A verwendet werden.

Demgemäß werden im Fall von Halbleitermodulen einer Kapazität oberhalb 50 A anstelle von Metallbasis-Leiterplatten keramische Leiterplatten verwendet, die über eine höhere Wärmeleitfähigkeit der Isolierschicht verfügen.

4 ist eine Ansicht, welche den Querschnitt einer Struktur einer herkömmlichen keramischen Leiterplatte zeigt, wobei (a) eine keramische Leiterplatte zeigt, und (b) eine keramische Leiterplatte zeigt, mit der eine Metallbasis durch Bonden verbunden ist.

Die keramische Leiterplatte ist durch Aufbringen eines Schaltungsmusters 103 auf beide Seiten einer keramischen Isolierplatte 104 aufgebaut. Die keramische Isolierplatte 104 wird gefertigt, indem ein Rohmaterialpulver mit einem Bindemittel verknetet wird, um eine Isolierplatte in Form einer als Rohling bezeichneten Platte zu erzeugen. Dann wird dieser Rohling bei hoher Temperatur gebrannt. Danach wird die Leiterplatte erzeugt, indem eine als Schaltungsmuster 103 dienende Kupferfolie oder Aluminiumfolie bei hoher Temperatur durch Bonden mit der Isolierplatte verbunden wird. Außerdem wird diese keramische Leiterplatte für gewöhnlich mittels einer Lotschicht 105 mit der Metallbasis 101 verbunden, die aus einer Kupfertafel einer Dicke von ca. 2 bis 3 mm besteht.

Beispielsweise werden Al2O3, AlN oder Si3N4 als Rohmaterial für die keramische Isolierplatte 104 verwendet. Die Wärmeleitfähigkeit dieser keramischen Isolierplatte 104 beträgt ca. 20 W/m·K, falls es sich beim Rohmaterial um Al2O3 handelt, ca. 60 bis 180 W/m·K, falls es sich beim Rohmaterial um AlN handelt, und ca. 80 W/m·K, falls das Rohmaterial Si3N4 ist, d. h. ihre Wärmeleitfähigkeit ist eine oder zwei Größenordnungen höher als im Fall der Verwendung eines Epoxidharzes mit anorganischem Füllstoff.

Wie beschrieben ist im Fall von Metallbasis-Leiterplatten der Wärmewiderstand reduziert. Wenn zur Verbesserung des Wärmewiderstands eine dicke Kupferfolie verwendet wird, wird aber die für den Ätzvorgang zur Bearbeitung der Schaltungsmusterschicht benötigte Zeit proportional zur Dicke vergrößert ist; die Bearbeitungskosten werden dadurch stark erhöht, was auch das Problem mit sich bringt, dass die Gesamtkosten stark erhöht werden. Außerdem wird, wenn die Dicke der Schaltungsmusterschicht 3 bis 4 mm erreicht, eine lange Zeit zum Schmelzen des Kupfers benötigt, und außerdem kann ein Ätzen der Kanten der Schaltungsmusterschicht nicht mit großer Präzision durchgeführt werden, so dass der Ätzprozess selbst undurchführbar wird.

Andererseits besteht im Fall einer keramischen Leiterplatte ein Problem darin, dass viele Schritte notwendig sind, nämlich dass zuerst eine keramische Isolierplatte gefertigt wird, diese mit einem Schaltungsmuster durch Bonden verbunden wird, eine Ätzbearbeitung durchgeführt wird, und die auf diese Weise gefertigte Leiterplatte durch Verlöten mit der Metallbasis verbunden wird, wodurch der Preis vergrößert wird und das Erzielen einer Preisverringerung erschwert wird. Außerdem ist es im Fall einer keramischen Leiterplatte nicht möglich, die Kupferfolie für das Schaltungsmuster sehr dick auszubilden. Es kann zwar eine dicke Kupferfolie oder Kupferbahn angeheftet werden, um den Wärmeausbreitungseffekt zu vergrößern, jedoch muss die Kupferbahn mit der keramischen Isolierschicht bei einer hohen Temperatur von ca. 1000°C oder mehr durch Bonden verbunden werden, so dass, wenn diese zwei Dicken nicht gleich groß sind, beim Abkühlen durch den Bimetall-Effekt ein Verwerfen hervorgerufen wird, das durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bedingt ist. Ebenso werden, wie zuvor beschrieben, falls die Kupferfolie oder Kupferbahn dick ausgebildet wird, die Kosten des Ätzvorgangs stark vergrößert, weshalb man momentan nur keramische Leiterplatten verwendet, deren Schaltungsmusterdicke nicht mehr als ca. 0,6 mm beträgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leiterplatte zu geringen Kosten und mit einer hervorragenden Wärmeableitungsleistung bereitzustellen, die mit wenigen Schritten gefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einer Leiterplatte gemäß Patentanspruch 1 und mit einem Halbleiterbauelement gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Danach ist bei einer Leiterplatte ein Schaltungsmuster durch Heften einer Metallfolie auf eine Isolierplatte und Bearbeiten der Metallfolie ausgebildet ist, und ein Aufbauschaltungsmuster, das durch das Aufschichten eines Metallmaterials mittels eines Kaltspritzprozesses ausgebildet ist, ist auf der Oberseite des Schaltungsmusters vorgesehen.

Bei einem Aufbau der Leiterplatte gemäß Patentanspruch 1 wird ein Aufbaumetallmuster von gleichmäßiger größerer Dicke auf der Oberseite des Schaltungsmusters der Metallfolie ausgebildet. Auf diese Weise wird, wenn ein auf diesem dicken Aufbauschaltungsmuster Leistungshalbleiter montiert ist, die durch in diesem auftretenden Verluste erzeugte Wärme durch das dicke Aufbaumuster abgeleitet, so dass der Wärmewiderstand verringert werden kann, was es möglich macht, eine Leiterplatte von hervorragender Wärmeableitung und geringem Wärmewiderstand aufzubauen.

Da bei der Leiterplatte gemäß der Erfindung das Schaltungsmuster der Folie zumindest teilweise dicker ausgebildet sein kann, kann, wenn ein Leistungshalbleiter auf diesem dicken Schaltungsmuster montiert ist, die durch in diesem auftretende Verluste erzeugte Wärme durch das dicke Schaltungsmuster abgeleitet werden, so dass der Wärmewiderstand verringert werden kann, was den Vorteil bietet, dass eine Leiterplatte von hervorragender Wärmeableitung und einem viel geringeren Wärmewiderstand als bei einer herkömmlichen Metallbasis-Leiterplatte oder Keramikleiterplatte unschwierig und zu niedrigen Kosten gefertigt werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

1 den Prozess zur Fertigung einer Leiterplatte gemäß der Erfindung und den Zustand eines fertiggestellten Leistungshalbleitermoduls, wobei (a) eine Metallbasis-Leiterplatte, (b) den Schritt einer Ausbildung eines Aufbauschaltungsmusters unter Verwendung des Kaltspritzprozesses, (c) den Zustand, bei dem ein Aufbauschaltungsmuster ausgebildet wurde, und (d) ein Leistungshalbleitermodul zeigt, bei dem ein Leistungshalbleiter auf einem Aufbauschaltungsmuster montiert ist;

2 ein Diagramm, das sich auf die Dicke eines Aufbauschaltungsmusters bezieht;

3 eine Ansicht, welche den Querschnitt eines Aufbaus einer herkömmlichen Metallbasis-Leiterplatte zeigt;

4 eine Ansicht, welche den Querschnitt einer Struktur einer herkömmlichen keramischen Leiterplatte zeigt, wobei (a) eine keramische Leiterplatte zeigt, und (b) eine keramische Leiterplatte zeigt, mit der eine Metallbasis durch Bonden verbunden ist.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei die Erfindung auf ein Beispiel angewandt ist, bei dem eine Metallfolie auf eine Isolierschicht geheftet ist und eine gedruckte Metallbasis-Leiterplatte mit einem vorgeschriebenen Schaltungsmuster durch Bearbeiten dieser Metallfolie ausgebildet ist.

1 zeigt den Prozess zur Fertigung einer Leiterplatte gemäß der Erfindung und den Zustand eines fertiggestellten Leistungshalbleitermoduls, wobei (a) eine Metallbasis-Leiterplatte, (b) den Schritt einer Ausbildung eines Aufbauschaltungsmusters unter Verwendung des Kaltspritzprozesses, (c) den Zustand, bei dem ein Aufbauschaltungsmuster ausgebildet wurde, und (d) ein Leistungshalbleitermodul zeigt, bei dem ein Leistungshalbleiter auf einem Aufbauschaltungsmuster montiert ist.

Wie in 1(a) dargestellt, hat eine Metallbasis-Leiterplatte einen aus drei Schichten bestehenden Aufbau, der dadurch aufgebaut ist, dass eine Isolierschicht 2, die einen anorganischen Füllstoff enthält, auf der Metallbasis 1 vorgesehen ist und ein Schaltungsmuster 3 auf diese geheftet wird.

Für das Schaltungsmuster 3 wird für gewöhnlich eine Kupferfolie verwendet. Anstelle der Kupferfolie könnte eine Aluminiumfolie für dieses Schaltungsmuster 3 verwendet werden. Die Kupferfolie, die auf die Isolierschicht 2 aufgebracht wurde, wird durch Nassätzen zum vorgeschriebenen Muster verarbeitet, um das Schaltungsmuster 3 zu erzeugen. Als Kupferfolie kann normalerweise ein Standardprodukt verwendet werden, das eine Dicke von ca. 35 &mgr;m bis 140 &mgr;m hat. Ebenso sollte, obgleich die Musterdicke des Schaltungsmusters 3 durch die Stromkapazität der Schaltung bestimmt ist, unter Berücksichtigung der Kosten für die Ätzverarbeitung die Dicke der Kupferfolie vorzugsweise so dünn wie möglich gemacht werden.

Die wie zuvor beschrieben ausgebildete Metallbasis-Leiterplatte entspricht weitgehend der herkömmlichen Metallbasis-Leiterplatte, jedoch ist im Fall einer Leiterplatte gemäß der Erfindung die Dicke lokal vergrößert, und zwar ausschließlich in einem Gebiet des Schaltungsmusters 3, in dem eine Verbesserung der Wärmeableitung angestrebt wird. Speziell ist, wie in 1(b) dargestellt, eine Maske 4, die mit einem Loch ausgebildet ist, dessen Form dem Gebiet entspricht, in dem eine Vergrößerung der Dicke angestrebt wird, auf dem Schaltungsmuster 3 angeordnet, und Metallpulver wird von oben her mit normaler Temperatur und Überschallgeschwindigkeit mittels des Kaltspritzverfahrens aufgespritzt, wodurch eine Schicht aus Metallpulver auf das Schaltungsmuster 3 aufgebracht wird. Auf diese Weise wird ein Aufbauschaltungsmuster 5 wie dargestellt in 1(c) ausgebildet.

Nachfolgend wird der Kaltspritzprozess beschrieben. Der Kaltspritzprozess wird als ein Typ eines Spritzbeschichtungsverfahrens betrachtet: Gas einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes oder der Erweichungstemperatur des Spritzbeschichtungsmaterials wird verwendet, um einen Gasstrom von Überschallgeschwindigkeit zu erzeugen; Partikel des Spritzbeschichtungsmaterials werden dadurch beschleunigt, dass sie in diesen Strom eingespritzt werden, und ein Beschichten wird durch ein Strahlen des Substrates mit diesen immer noch in festem Zustand befindlichen Partikeln durchgeführt. Ein kennzeichnendes Merkmal des Kaltspritzverfahrens besteht darin, dass die Temperatur des Arbeitsgases, das zum Erwärmen/Beschleunigung der Spritzbeschichtungsmaterialpartikel verwendet wird, viel geringer ist als beispielsweise im Fall des herkömmlichen Plasmaspritzbeschichtungsverfahrens, Flammspritzbeschichtungsverfahrens oder Hochgeschwindigkeits-Flammspritzbeschichtungsverfahrens. Für ein Plasmaspritzbeschichten und dergleichen Prozesse wird eine hohe Arbeitsgastemperatur von 2000 bis 8000°C benötigt, jedoch kann im Fall eines Kaltspritzens ein Arbeitsgas einer gewöhnlichen Temperatur von ca. 600°C verwendet werden. Zwar erfolgt das Aufprallen der Spritzbeschichtungsmaterialpartikel auf das Substrat mit hoher Geschwindigkeit, wobei diese dabei weiterhin in festem Zustand sind und keine Erwärmung größeren Ausmaßes erfolgt ist, jedoch erfolgt, wenn eine kritische Geschwindigkeit erreicht wird, aufgrund der Aufprallenergie eine plastische Verformung des Substrates und der Spritzbeschichtungsmaterialpartikel, was zur Ausbildung einer Beschichtung führt. Demzufolge kann, im Gegensatz zu anderen Spritzbeschichtungsverfahren, eine wärmebedingte Oxidation oder thermische Denaturierung des Spritzbeschichtungsmaterials minimiert werden.

Bei der Kaltspritzvorrichtung wird von einer Gasquelle, beispielsweise einem Zylinder, Hochdruckgas zu einer Pulverzufuhreinrichtung und einer Gasheizeinrichtung verzweigt. Von diesem Hochdruckgas wird das den Hauptstrom bildende Arbeitsgas durch Durchströmen eines schlangen- oder spulenförmigen Gasrohrs, das direkt oder indirekt beispielsweise mittels eines elektrischen Ofens erwärmt wird, in seiner Temperatur erhöht, bevor es der Spritzbeschichtungspistole zugeführt wird, bei der es mittels einer Überschalldüse beschleunigt und herausgespritzt wird.

Der zur Pulverzuführvorrichtung abgezweigte Teil des Arbeitsgases, dient als Trägergas und wird gemeinsam mit dem Spritzbeschichtungspulver zur Rückseite der Spritzbeschichtungspistole geleitet. Ein einigen Fällen braucht das Arbeitsgases nicht erwärmt zu werden, jedoch ist das Vorheizen insofern vorteilhaft, als dadurch eine Verwendung höherer Partikelgeschwindigkeiten ermöglicht wird, und eine plastische Verformung der Partikel erleichtert wird. Als Gas kann Luft, Helium oder Stickstoff verwendet werden.

Als Spritzbeschichtungsmaterial, das auf das Schaltungsmuster 3 aufgespritzt wird, kann ein Metallmaterial mit einer Partikelgröße von 1 bis 50 &mgr;m verwendet werden. Als dieses Partikelmaterial können beispielsweise Kupfer, Aluminium, Eisen, Titan, Molybdän oder Nickel verwendet werden. Für die Leiterplatte wird für gewöhnlich Kupfer oder Aluminium verwendet. Diese Spritzbeschichtungsmaterialpartikel werden dadurch aufgebracht, dass sie durch die um einen Abstand von 10 bis 50 mm getrennte Maske 4 auf das Schaltungsmuster 3 aufgestrahlt werden, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 500 bis 900 m/s: Dadurch wird ein Aufbauschaltungsmuster 5 auf dem Schaltungsmuster 3 erzeugt, wie in 1(c) dargestellt. Die Bestrahlung mit Spritzbeschichtungsmaterialpartikeln wird für eine vorgeschriebene Zeit durchgeführt, um die erforderliche Filmdicke des Aufbauschaltungsmusters 5 zu erzielen. Die Dicke des Aufbauschaltungsmusters 5 wird unter Berücksichtigung der von dem Leistungshalbleiter erzeugten Verlustleistung festgelegt. Obwohl abhängig von der Höhe der erzeugten Verluste, beträgt die Dicke eines effektiven Aufbauschaltungsmuster 5 ca. 0,5 mm bis 5 mm.

Eine Metallbasis-Leiterplatte mit einem aus drei Schichten bestehenden Aufbau, bei der ein Aufbauschaltungsmuster 5 direkt mit der Kupferfolie durch Bonden verbunden ist, wird mittels der zuvor beschriebenen Herstellungsschritte gefertigt. Danach wird ein Leistungshalbleiter in Form beispielsweise eines Halbleiterchips 6 auf dem Aufbauschaltungsmuster 5 montiert, das durch Kaltspritzen abgelagert wurde. Der Halbleiterchip 6 wird für gewöhnlich mit dem Aufbauschaltungsmuster 5 mittels eines SnPb-basierten Lotes oder einem SnAgCu-basierten Lotes verbunden.

Zum Schluss wird das erforderliche Verdrahten des Halbleiterchips 6 unter Verwendung von Drähten 7 durchgeführt, um einen Anschluss an die außenliegende Schaltung zu erzielen und ein Leistungshalbleitermodul wie in 1(d) dargestellt zu fertigen. Im Fall eines Halbleiterelementes großer Stromkapazität, wie beispielsweise dem Halbleiterchip 6, wird normalerweise Aluminiumdraht für die Verdrahtung verwendet.

Es sei angemerkt, dass, obschon gemäß obiger Beschreibung das durch das Kaltspritzen erzeugte Aufbauschaltungsmuster 5 ausschließlich in dem Abschnitt des Schaltungsmusters 3 ausgebildet wird, in dem der Halbleiterchip 6, für den eine Wärmeableitung benötigt wurde, montiert wird, dieses Aufbauschaltungsmuster auch über das gesamte Schaltungsmuster 3 ausgebildet sein kann.

Ebenso kann, unabhängig davon, ob ein Kupfermaterial oder ein anderes durch Kaltspritzen abgelagertes Metallmaterial verwendet wird, die dem Material eigene Wärmeleitfähigkeit erzielt werden.

Außerdem wurde in diesem Fall als Ausführungsbeispiel einer Leiterplatte der Fall einer Metallbasis-Leiterplatte beschrieben, jedoch kann auch im Fall einer keramischen Leiterplatte gemäß 4 ein Aufbauschaltungsmuster mittels des gleichen Herstellungsverfahrens auf dem Schaltungsmuster 103 auf der Seite ausgebildet werden, auf der der Leistungshalbleiter montiert werden soll.

Als Nächstes wird eine Optimierung der Dicke des Aufbauschaltungsmusters 5 beschrieben, das auf dem Schaltungsmuster 3 mittels Kaltspritzen aufgebracht wird.

2 ist ein Diagramm, welches sich auf die Dicke des Aufbauschaltungsmusters bezieht.

Der Wärmestrom, welcher vom Halbleiterchip 6 erzeugt wird, weist die Eigenschaft auf, dass er normalerweise unter einem Neigungswinkel von 45° abgeleitet wird und sich ausbreitet. Daher ergibt sich, wenn der Abstand a von den Chipkanten des Halbleiterchips 6 zu den jeweiligen Kanten des Aufbauschaltungsmusters 5 so groß ist wie die Summe b aus der Dicke des Schaltungsmusters 3 und der des Aufbauschaltungsmusters 5, ein maximaler Wärmeausbreitungseffekt, wodurch es möglich wird, den Wärmewiderstand stark zu verringern. Es besteht daher keine Notwendigkeit einer unnötigen Vergrößerung der Breite des Schaltungsmusters 3 und des Aufbauschaltungsmusters 5, und zwar bezogen auf die Größe des Halbleiterchips 6, und es besteht keine Notwendigkeit für eine unnötige Vergrößerung der Dicke des Aufbauschaltungsmusters 5.

Zwar ergibt sich aus der zuvor beschriebenen Beziehung der Breite zur Dicke des Aufbauschaltungsmusters 5, dass das optimale Verhältnis des Abstandes a von wenigstens einer, vorzugsweise allen Kanten des montierten Halbleiterchips 6 bis zu der bzw. den entsprechenden Kanten des Aufbauschaltungsmusters 5 und der Summe b aus der Dicke des Schaltungsmusters 3 und der Dicke des Aufbauschaltungsmuster 5 den Wert 1 hat, jedoch kann ein im Wesentlichen zufriedenstellender Wärmeableitungseffekt erzielt werden, solange dieses Verhältnis zwischen 0,8 und 1,2 liegt. Wenn dieses Verhältnis weniger als 0,8 beträgt, kann keine ausreichende Wärmeableitung erzielt werden, und wenn dieses Verhältnis 1,2 überschreitet, ist der Effekt gesättigt.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde detailliert der Fall beschrieben, bei dem die Erfindung auf eine gedruckte Leiterplatte angewandt wird, die durch Anheften einer Metallfolie, beispielsweise einer Kupferfolie, an einer Isolierschicht oder einer keramische Isolierplatte mit einem vorgeschriebenen Schaltungsmuster ausgebildet wurde und diese Metallfolie bearbeitet wurde, jedoch kann die Erfindung auch auf eine Anpassung der Dicke eines Leiterrahmen-Schaltungsmusters angewandt werden.


Anspruch[de]
Leiterplatte mit einem auf einer Isolierplatte (1, 2) aus einer Metallfolie (3) gebildeten Schaltungsmuster (3), wobei auf der Oberseite wenigstens eines Teiles des Schaltungsmusters (3) ein Aufbauschaltungsmuster (5) durch Aufbringen eines Metallmaterials mittels eines Kaltspritzprozesses ausgebildet ist. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei der die Isolierplatte (1, 2) eine Metallbasis-Leiterplatte ist, die ein mit einem anorganischen Füllstoff versetztes Harz (2) aufweist, das mit einer Metallplatte (1) durch verbunden ist. Leiterplatte nach Anspruch 1, bei der die Isolierplatte eine keramische Leiterplatte ist, welche eine keramische Isolierplatte aufweist, deren beide Seiten mit einer Metallfolie beschichtet sind, wobei das Rohmaterial der keramischen Isolierplatte Al2O3, AlN oder Si3N4 ist. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Metallmaterial des Aufbauschaltungsmusters (5) Kupfer, Aluminium, Eisen, Titan, Molybdän oder Nickel ist. Leiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Aufbauschaltungsmuster (5) auf dem Schaltungsmuster (3) wenigstens auf einem solchen Bereich oder solchen Bereichen ausgebildet ist, der bzw. die für die Montage eines Wärme erzeugenden Halbleiterelements vorgesehene sind. Leiterplatte nach Anspruch 5, bei der das Aufbauschaltungsmuster (5) auf jeder Seite um ein Maß a über den für die Montage eines Wärme erzeugenden Halbleiterchips vorgesehenen Bereich des Schaltungsmusters (3) hinausragt und das Verhältnis der Summe der Dicke des Aufbauschaltungsmusters (5) und der Dicke des Schaltungsmuster (3) zum Abstand a von der Kante eines montierten Halbleiterchips (6) bis zur Kante des Aufbauschaltungsmusters (5) zwischen 0,8 und 1,2 liegt. Leiterplatte nach Anspruch 6, bei der das genannte Verhältnis 1 beträgt. Halbleiterbauelement aufweisend eine Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Halbleiterchip (6) auf dem Schaltungsmuster (3, 5) montiert ist. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, bei dem die Fläche des Aufbauschaltungsmusters (5) größer als seine Kontaktfläche mit dem Halbleiterchip ist und das Verhältnis der Summe der Dicke des Aufbauschaltungsmusters (5) und der Dicke des Schaltungsmusters (3) zum Abstand zwischen der Kante des Halbleiterchips (6) und der Kante des Aufbauschaltungsmusters (5) zwischen 0,8 und 1,2 liegt. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, bei der das genannte Verhältnis 1 beträgt.






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