DE3412296A1

DE3412296A1 - Hybridschaltung in multilayer-technik

Info

Publication number: DE3412296A1
Application number: DE19843412296
Authority: DE
Inventors: Hartwig Dipl.-Phys. 6806 Viernheim Gernoth; Dieter Dipl.-Ing. 6840 Lampertheim Gilbers; Hans-Joachim Dipl.-Phys. Dr. 6907 Nußloch Krokoszinski; Henning Dipl.-Phys. Dr. 6922 Mauer Oetzmann; Conrad Dipl.-Phys. Dr. 6901 Gaiberg Schmidt
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1984-04-03
Filing date: 1984-04-03
Publication date: 1985-10-03
Also published as: DE3412296C2

Description

Hybridschaltung in Multilayer-Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hybridschaltung in Multilayer-Technik gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Hybridschaltung in Multilayer-Technik ist aus H. Delfs, Hybridschaltungen, 1973, Verlag Berliner Union GmbH, Stuttgart, Verlag W. Kohlhammer GmbH, Stuttgart, Berlin, Köln, Mainz, Seite 69 bis 70 bekannt. Dort wird eine Viellagen-DruckschaItung aus Keramik mit mikroelektronischen Dimensionen beschrieben, wobei jede Lage aus einem papierartigem Blatt aus ungebrannter, sogenannter grüner Keramik besteht und mit Leiterbahnen aus Molybdän-Mangan bedruckt ist.
In der Dünnschicht- und Dickschichttechnologie sind in diesem Zusammenhang allgemein verschiedene Substrate bekannt, wie Glas, Keramik, Stahl-Emaille und Multilayer-Keramiken. Diese Substrate können auch fester Bestandteil von Gehäusen sein, indem das (Multilayer-)Substrat, der Gehäuseboden und die Stromdurchführung eine fertige Einheit bilden. Diese Einheiten werden bestückt und mit einem Deckel hermetisch verschlossen bzw. mit Kunststoff gekapselt. Um hohe Verlustleistungen abführen zu können, werden kupferbelegte Metallplatten als Gehäuseboden eingesetzt.
In der Mikroelektronik zwingt die ständige Erhöhung der Packungsdichte zu guter Wärmeableitung der Verlustleistung und zu Substraten mit Multilayer-Strukturen, die gleichzeitig eine hohe Wärmeabfuhr bei guter elektrischer Isolationsfestigkeit gewährleisten.
Die genannten Substrate können nur einen Teil dieser Forderungen abdecken, z.B. kann Glas als Substrat zwar die durch die Dünnschichttechnologie und an die Isolation gestellten Anforderungen erfüllen, nicht aber eine hohe Wärmeabfuhr gewährleisten. Keramik als Substrat verfügt zwar über eine gute Wärmeabfuhr und Isolationsfestigkeit, ist aber nicht für Dünnschicht-Multilayer-Strukturen geeignet. Kupferbelegte Metallplatten schließlich sind nicht geeignet als Dünnschichtsubstrate.
Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrunde, eine Hybridschaltung in Multilayer-Technik der eingangs genannten Art anzugeben, die gleichzeitig gute Eigenschaften bezüglich elektrischer Isolationsfestigkeit sowie Wärmeableitvermögen aufweist, eine hohe Packungsdichte ermöglicht und für Dünnschichttechnologie geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Hybridschaltung eine hohe Packungsdichte bei guter Wärmeableitung gewährleistet.
Die verlustleistungsintensiven diskreten elektronischen Bauelemente sind dabei auf dem gut wärmeleitenden Metallsubstrat aufgebracht, während die Kunststoffolie die passive Schaltung, d.h. das Leiterbahnnetzwerk mit passiven Bauteilen trägt. Bei Einsatz beidseitig bedruckter bzw. beschichteter Kunststoffolien oder mehrerer übereinander gestapelter Folien sind vorteilhaft keine Leiterbahnüberkreuzungen auf den Folien selbst notwendig.
Als diskrete elektronische Bauelemente können sowohl aktive Halbleiterbauelemente wie auch passive Bauelemente, z.B. Widerstände, eingebaut werden, die zunächst als Untereinheiten auf Keramiksubstraten aufgebracht sind, wobei die Keramiksubstrate selbst auf dem Metallsubstrat montiert sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Ansicht einer Hybridschaltung in Multilayer-Technik von oben, Fig. 2 einen Schnitt durch eine Hybridschaltung in Multilayer-Technik.
In Fig. 1 ist eine Ansicht einer Hybridschaltung in Multilayer-Technik von oben dargestellt. Es ist ein diskretes elektronisches Bauelement 1, beispielsweise ein Widerstandsnetzwerk auf Keramiksubstrat oder ein IC-Chip, zu erkennen, das je nach Vorschrift der elektronischen Schaltung mit einem leitenden oder einem nichtleitenden Kleber direkt oder unter Zwischenschaltung einer dünnen Isolationsschicht 2b auf ein Metallsubstrat 2a aufgeklebt ist. Das Bauelement 1 kann auch aufgelötet oder aufgebondet sein. Das Metallsubstrat 2a sollte aus einem Material mit gutem Wärmeleitvermögen bestehen, z.B. aus einer kupferkaschierten Fe-Ni-Legierung mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Isolationsschicht 2b kann z.B. aus CVD-Schicht (durch chemische Reaktion abgeschiedene Schicht), einer PTFE-Schicht oder aus einem aufgesponnenen und eingebrannten Polyimid-Polimer-Lack bestehen. Die Isolationsschicht 2b soll nur so dick sein, daß einerseits die elektrische Isolation der diskreten elektronischen Bauelemente 1 hinreichend gewährleistet, andererseits die Abfuhr der bei Betrieb erzeugten Verlustleistungswärme an das Metallsubstrat 2a gegeben ist. Auf die Isolationsschicht 2b können Dünnschicht-Schaltkreise aufgebracht werden (in Fig. 1 nicht dargestellt).
Zur Verschaltung der Hybridschaltung sind eine oder mehrere Kunststoffolien vorgesehen, die ein- oder beidseitig mit Leiterbahnnetzwerken bedruckt bzw. beschichtet sind. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind eine erste Kunststoffolie 3 und eine zweite Kunststoffolie 4 übereinander gestapelt. Durch die Aufteilung der Leiterbahnen in mehreren Ebenen können vorteilhaft Leiterbahnüberkreuzungen in einer Ebene verhindert werden. Als Material für die Kunststoffolien dient vorzugsweise Polyimid. Die Folien 3, 4 können durch Kleber fixiert sein. Die von den diskreten elektronischen Bauelementen 1 beanspruchten Flächen (Chipflächen) sind in den Kunststoffolien 3, 4 jeweils entsprechend ausgestanzt. Der Anschluß zwischen den elektronischen Bauelementen 1 und den Leiterbahnen der Kunststoffolien 3, 4 erfolgt jeweils über Bond- bzw. Lötstellen 5.
Das Leiterbahnnetzwerk auf den Folien 3,4 kann beispielsweise fotolitografisch hergestellt werden, wobei kupferkaschierte Folien eingesetzt werden können. Teile des Netzwerkes können auch durch Dünnschicht-Technologie auf Polyimid-Folie realisiert werden. In das Leiterbahnnetzwerk können passive Bauelemente, wie Widerstände und Kondensatoren in Dünnschicht-Technologie oder in Form diskreter Bauelemente integriert werden. Die auf den Folien 3,4 aufgebrachten Bauelemente sollten jedoch nur wenig Verlustwärme produzieren, da anderenfalls die Gefahr einer örtlichen Überhitzung des Bauelementes bzw.
der Folie besteht. Verlustleistungsintensive Bauelemente sind daher vorzugsweise in denjenigen Dünnschicht-Schaltkreisen zu integrieren, die über die dünne Isolationsschicht 2b direkt mit dem Metallsubstrat 2a in Verbindung stehen. Durch das Metallsubstrat 2a ist eine ausreichende Wärmeabfuhr und damit Kühlung der Bauelemente gewährleistet.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Hybridschaltung in Multilayer-Technik dargestellt. Das Metallsubstrat 6 ist dabei als Boden eines die Hybridschaltung umschließenden Gehäuses ausgebildet. Auf dem Metallsubstrat 6 ist die dünne Isolationsschicht 7 und das darauf aufgebrachte diskrete elektronische Bauelement 8 zu erkennen. Es sind wiederum zwei Folien, und zwar eine erste Kunststoffolie 9 und eine zweite Kunststoffolie 10 über Bond- bzw. Lötstellen mit dem diskreten elektronischen Bauelement 8 verbunden.
Zur elektrischen Verbindung zwischen den Folien 9, 10 kann eine Drahtbrücke 12 oder eine Lötverbindung 13 Verwendung finden. Für den externen Anschluß der Hybridschaltung sind Anschlußstifte 14 durch den Gehäuseboden, d.h. das Metallsubstrat 6 geführt, wobei die Anschlußstifte 14 von Isolierhülsen 15 zur elektrischen Isolation gegen das Metallsubstrat 6 umgeben sind.
Zum Kontaktieren der Anschlußstifte 14 mit der Hybridschaltung können eine dritte, direkt mit der dünnen Isolationsschicht 7 verklebte Kunststoffolie 16 oder allgemein ein Dünnschicht-Schaltkreis vorgesehen sein. Eine Drahtbrücke 17 dient dabei zur Kontaktierung des Anschlußstiftes 14 mit der dritten Kunststoffolie 16 und eine Drahtbrücke 18 zur Kontaktierung der Folie 16 mit dem diskreten elektronischen Bauelement 8. Die Drahtbrücken 12, 17, 18 werden dabei vorzugsweise gebondet bzw. gelötet.
Die Bestückung und Fügung (Löten, Bonden, Kleben, TAB-Verfahren) einschließlich Verkapselung der Hybridschaltung erfolgt in allgemein bekannter Technologie.
Als Beispiel einer Verkapselung ist in Fig. 2 ein Gehäusedeckel 13 angedeutet, der einen hermetischen Verschluß des Gehäuses gewährleistet. Alternativ hierzu ist eine Kapselung mit Kunststoff möglich.

Claims

Ansprüche 1. Hybridschaltung in Multilayer-Technik mit einer Ebene zur Hybridmontage von diskreten elektronischen Bauelementen und mindestens einer weiteren, mit Leiterbahnen versehenen Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallsubstrat (2a,6) zur Hybridmontage von diskreten elektronischen Bauelementen (1,8) dient und mindestens eine, über Bond- bzw. Lötstellen (5,11) mit den Bauelementen (1,8) verbundene Kunststoffolie (3,4,9,10,16) für das Leiterbahnnetzwerk vorgesehen ist.
2. Hybridschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat (2a,6) mit einer dünnen Isolationsschicht (2b,7) versehen ist.
3. Hybridschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoffolie (3,4,9,10,16) eine Polyimidfolie Verwendung findet.
4. Hybridschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Dünnschichtschaltkreise auf die dünne Isolationsschicht (2b,7) aufgebracht sind.
5. Hybridschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolien (3,4,9,10,16) beidseitig mit Leiterbahnnetzwerken versehen sind.
6. Hybridschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz mehrerer Kunststoffolien (3,4,9,10,16) die Folien untereinander durch Kleber fixiert sind.
7. Hybridschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von den diskreten elektronischen Bauelementen (1,8) beanspruchten Flächen in den Kunststoffolien (3,4,9,10,16) jeweils ausgespart sind.
8. Hybridschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolien (3,4,9,10,16) selbst mit passiven Bauelementen bestückt bzw. beschichtet sind.
9. Hybridschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat (2a,6) als Gehäuseboden dient.