СХЕМНАЯ ПОДЛОЖКА Российский патент 2012 года по МПК H05K1/05 

Настоящее изобретение относится к схемной подложке с металлическим несущим слоем, на котором по меньшей мере локально расположен диэлектрический слой, причем диэлектрический слой имеет множество пор.

Такие схемные подложки, в первую очередь, находят применение в силовой полупроводниковой технике, в особенности в области высокотемпературных приложений, как то: подкапотное пространство автомобиля.

Работа любой электрической или электронной схемы связана с выделением тепла, которое во избежание нарушения работы схемы или ее выхода из строя должно отводиться как можно скорее. В частности, силовая электроника при работе отличается выделением очень большого количества тепла. Усложняющим фактором при высокотемпературном использовании является также относительно высокая температура в окружающем пространстве свыше 100°C (например, около 150°C в некоторых местах подкапотного пространства автомобиля). Для возможно более быстрого отвода выделяющегося тепла электрические или электронные схемы наносятся на схемные подложки, металл которых может служить теплоотводом.

Слой из диэлектрического материала, который в большинстве случаев гораздо тоньше, чем любой из металлических слоев, служит прежде всего для электрической изоляции отдельных токопроводящих дорожек, нанесенных на слой диэлектрика, от материала несущего слоя подложки. Вместе с тем может быть выбран диэлектрический материал, отличающийся очень низким термическим сопротивлением, так что тепло, выделяемое электрическими или электронными компонентами, смонтированными на слое диэлектрического материала, может максимально быстро отводиться металлическим элементом подложки.

Диэлектрический слой после его изготовления может содержать множество пор. По множеству причин может возникнуть необходимость заделки этих пор печатным материалом. Наличие пор оказывает, например, отрицательное воздействие на изоляционную способность слоя диэлектрического материала, что может создать проблемы во влажной рабочей атмосфере. Из-за проникновения влаги в поры может произойти короткое электрическое замыкание между токопроводящими дорожками и металлом несущего слоя материала подложки.

В зависимости от способа изготовления проблема образования пор проявляется в разной степени. В частности, способы изготовления, при которых слой диэлектрического материала наносится на металл подложки способом термического напыления, осложнены проблемой образования пор.

Такие способы описаны, например, в GB 990023, GB 1461031 и ЕР 115412 А2. Хотя способ термического напыления сам по себе удобен для нанесения диэлектрического материала на металл подложки, все же возникает проблема наличия в нанесенном слое диэлектрического материала множества пор, что может существенно уменьшить электрическую изоляционную способность слоя диэлектрического материала. Особенно проблемным является наличие пор во влажной атмосфере.

ЕР 48992 А2 описывает, например, способ, при котором после термического напыления слоя диэлектрического материала на него для заделки пор наносится смола. Из DE 19529627 С1 следует также заделка пор путем нанесения эпоксидной смолы. Кроме того, известна также заделка пор с помощью керамической глазури, плавящейся в интервале температур между 600 и 800°C.

Применение смол имеет тот недостаток, что речь идет об относительно затратном способе, поскольку смолы должны отверждаться соответствующим способом (например, путем полимеризации, см. ЕР 48992 А2). Нанесение керамической глазури, дополнительно описанное в DE 19529627 С1, является нежелательным, поскольку керамическая глазурь, являющаяся продуктом изготовления фарфора и плавящаяся при указанных температурах, содержит значительные количества свинца, и поэтому в большинстве стран не допускается к применению. Кроме того, оказалось, что подобная керамическая глазурь часто сама является пористой, так что пленка, нанесенная на слой диэлектрического материала, сама может иметь дыры. В этом случае проблема возникновения коротких замыканий вообще не устраняется.

Задачей изобретения является получение схемной подложки, лишенной вышеуказанных недостатков уровня техники.

Эта задача решается с помощью схемной подложки с признаками пункта 1 формулы изобретения.

Применение стекла в качестве материала заделки, предусматриваемое согласно изобретению, имеет по сравнению с применением смол то преимущество, что стекло не нужно отверждать с помощью специальной технологической операции.

Например, может быть предусмотрено нанесение стекла способом термического напыления. Предпочтительно, это осуществляется одновременно с термическим напылением слоя диэлектрического материала (коротко, изоляционного слоя). В обоих случаях затвердевание стекла осуществляется автоматически при охлаждении.

Можно также предусмотреть, чтобы слой диэлектрического материала обмазывался стеклом или чтобы стекло наносилось способом печати (например, трафаретной печати). В этом случае отверждение может происходить в печи.

По сравнению с нанесением керамической глазури, известным из уровня техники, использование стекла имеет то преимущество, что стекло не должно содержать свинца и, кроме того, само оно после нанесения не приводит к образованию дыр.

Особенно предпочтительно предусмотреть, чтобы поверхность слоя диэлектрического материала со стороны, противоположной несущему слою подложки, по существу была свободна от стекла. Этого можно добиться удалением стекла с поверхности слоя диэлектрического материала или в случае применения термического напыления - выбором соответствующих технологических параметров.

На подвергнутый заделке диэлектрический слой известным способом могут быть нанесены токопроводящие дорожки. Готовая схемная подложка может содержать электрические и/или электронные компоненты. Для получения токопроводящих дорожек на диэлектрический слой может наноситься, а затем внедряться в него проводящая паста. Нанесение пасты, предпочтительно, осуществляется способом трафаретной печати или струйным способом.

В качестве диэлектрического слоя может быть использован керамический материал, например, оксид алюминия (Al₂O₃) или нитрид алюминия (AlN).

Можно, например, предусмотреть, чтобы используемое стекло состояло из оксида висмута III (трехокиси дивисмута), оксида алюминия, двуокиси кремния или оксида бора III (трехокиси дибора) или из смеси этих двух или нескольких компонентов. В возможном примере осуществления может быть предусмотрено, чтобы используемое стекло состояло на 55% из оксида висмута III, на 21% - из оксида алюминия, на 14% - из двуокиси кремния и на 10% - из оксида бора III. Соответствующие стекла могут быть приобретены, например, в Ferro Corporation, 1000 Lakeside Avenue, Cleveland, Ohio 44114-7000, USA (www.ferro.com).

Желательная заделка пор может быть достигнута при количестве материала заделки (стекла) около 5-30% от общего количества диэлектрического материала и материала заделки (стекла).

Металлический несущий слой схемной подложки может состоять, например, из алюминия или меди.

Если в качестве способа напыления выбрано плазменное напыление, то следует обратить внимание на то, чтобы материал заделки, присутствующий чаще всего в виде порошка, выбирался с таким размером зерен и с такой температурой, например 2100°C, чтобы он мог распыляться на металл несущего слоя подложки без возгорания.

Применены могут быть, например, порошок оксида алюминия (Al₂O₃) с размером зерен 5-60 мкм (типичными являются размеры 5,6 или 22,5 мкм) и температура плавления порядка 2050°C.

Во всех примерах осуществления, предпочтительно, предусмотрено, чтобы металлический несущий слой схемной подложки одновременно выступал в качестве механического носителя всех компонентов подложки.

Другие преимущества и подробности отдельных вариантов осуществления изобретения раскрываются на основе фигур и относящихся к ним описаний. При этом показано:

фиг.1 схематически изображает устройство для осуществления способа согласно изобретению, а

фиг. 2а, b, с изображают виды сверху, сбоку и деталировку схемной подложки, изготовленной способом согласно изобретению.

На фиг.1 изображено термическое напыление слоя 3 диэлектрического материала на слой 2 из металлического несущего материла схемной подложки 1. Схематически изображена плазменная пушка 13 с катодом 14 и анодом 15. Стрелки 16 показывают подачу плазмообразующего газа. В результате высокочастотного зажигания между катодом 14 и анодом 15 возникает электрическая дуга, что ведет к ионизации плазмообразующего газа. Образовавшаяся таким образом плазма покидает форсунку с высокой скоростью (около 300-700 м/сек) и с температурой порядка 15000-20000°C. С помощью устройства 17 для внедрения материал, наносимый на слой 2 (изображенный стрелкой 18), внедрятся в плазменную струю, где он расплавляется и разгоняется до высокой скорости. Расплавленный материал с высокой скоростью попадает на металлический несущей слой 2 (струя 19) подложки и оседает на нем в качестве диэлектрического слоя 3 (короче, изоляционного слоя 3). В предпочтительном варианте осуществления смесь из материала заделки (стекла 9) и диэлектрического материала одновременно вносится в плазменную струю с помощью устройства 17 для внедрения.

На фиг. 2а в качестве примера изображены вид сверху схемной подложки 1, на которой размещен слой 3 диэлектрического материала, на который нанесены токопроводящие дорожки 4, а также электрические или электронные компоненты 5. В этом примере осуществления металлический несущий слой 2 схемной подложки состоит из алюминия, очищенного и зачищенного перед термическим напылением с помощью пескоструйной технологии. По четырем углам металлического несущего слоя 2 подложки выполнены отверстия 8, через которые схемная подложка 1 впоследствии может быть привинчена. Кроме того, на фиг. 2а видны двадцатичетырехполюсная контактная колодка 6, а также девятиполюсная контактная колодка 7. В случае изображенных электрических или электронных деталей речь идет о микроконтроллерах, регуляторах, возбуждающих схемах, силовых транзисторах и сопротивлениях.

После термического напыления на диэлектрический слой 3 методом печати были нанесены токопроводящие дорожки 4, а затем при температурах между 400 и 530°C подвергнуты спеканию. Затем на нанесенные токопроводящие дорожки 4 с помощью трафаретной печати был нанесен слой паяльной пасты, в котором впоследствии были смонтированы электрические или электронные схемы.

Смонтированные компоненты 5 и контактные колодки 6, 7 были смонтированы на подложке одновременно.

Для достижения идеального отвода тепла, выделяемого электрическими и электронными компонентами 5, все они были смонтированы на схемной подложке 1 (на ее диэлектрическом слое 3) непосредственно, т.е. без выводных рамок.

На фиг.2b изображена многослойная структура схемной подложки 1. Само собой разумеется, что масштаб в этом изображении не соблюдается. Толщина металлического несущего слоя 2 подложки может составлять, например, 2-10 мм (типичной является величина 1-5 мм), в то время как диэлектрический слой 3 в большинстве случаев имеет толщину 30-70 мкм.

На фиг.2с в виде выносного элемента показан участок диэлектрического слоя 3 схемной подложки 1, изображенной на фиг. 2а и 2b. В диэлектрическом слое 3 видны поры 20, заделанные стеклом. Кроме того, видно, что поверхность диэлектрического слоя 3 за пределами участка пор 20 по существу свободна от стекла.

Изобретение относится к схемной подложке с металлическим несущим слоем, на котором по меньшей мере локально расположен диэлектрический слой, причем диэлектрический слой имеет множество пор. Технический результат - повышение электрической изоляционной способности слоя диэлектрического материала, устранение проблемы возникновения коротких замыканий. Достигается тем, что схемная подложка с металлическим несущим слоем, на который по меньшей мере локально нанесен слой диэлектрического материала, причем слой диэлектрического материала имеет множество пор, причем поры (20) по меньшей мере со стороны слоя диэлектрического материала, противоположной несущему слою подложки, заделаны стеклом (9). 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Схемная подложка с металлическим несущим слоем, на который по меньшей мере локально нанесен диэлектрический слой, причем диэлектрический слой имеет множество пор, причем поры (20) по меньшей мере со стороны диэлектрического слоя (3), противоположной несущему слою (2) подложки, заделаны стеклом (9), отличающаяся тем, что поверхность диэлектрического слоя (3) со стороны, противоположной несущему слою (2) подложки, по существу, свободна от стекла.

2. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что на диэлектрический слой (3) нанесены токопроводящие дорожки (4, 4').

3. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что на схемной подложке (1) смонтированы электрические и/или электронные компоненты (5).

4. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что материалом диэлектрического слоя (3) является керамический материал, предпочтительно оксид алюминия (Аl₂O₃) или нитрид алюминия (AlN).

5. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что стекло (9) состоит из оксида висмута III, оксида алюминия, двуокиси кремния или оксида бора III, или из смеси этих двух или нескольких компонентов.

6. Подложка по п.5, отличающаяся тем, что стекло (9) состоит на 55% из оксида висмута III, на 21% из оксида алюминия, на 14% из двуокиси кремния и на 10% из оксида бора III.

7. Подложка по п.1, отличающаяся тем, что количество стекла (9) составляет около 5-30% от общего количества материала диэлектрика и стекла (9).

8. Способ изготовления схемной подложки по любому из пп.1-7, при котором на металлический несущий слой схемной подложки наносят слой диэлектрического материала, отличающийся тем, что во время нанесения слоя диэлектрического материала или после этого на схемную подложку (1) наносят стекло (9).

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что слой диэлектрического материала на металлический несущий слой (2) подложки наносят методом трафаретной печати.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что стекло (9) на слой диэлектрического материала наносят путем обмазки или печати.

11. Способ по п.8, отличающийся тем, что слой диэлектрического материала наносят на металлический несущий слой (2) схемной подложки (1) путем термического напыления, предпочтительно вместе со стеклом (9).

12. Способ по п.8, отличающийся тем, что для формирования токопроводящих дорожек (4, 4'), предпочтительно методом трафаретной печати или струйным способом, на слой (3) диэлектрического материала наносят, а затем в него внедряют проводящую пасту.