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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung
sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltungsanordnung,
insbesondere zur Verwendung im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik.
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Es
ist bekannt, bei der Auslegung von Elektronikeinheiten umfassend
einen mit wenigstens einem elektronischen Bauelement bestückten Schaltungsträger (z.
B. Leiterplatte, Keramik, Flexfolie etc.) eine möglichst gute Ableitung der
Wärme vorzusehen,
die unvermeidbar als thermische Verlustleistung im Betrieb von elektronischen
Bauelementen entsteht. Die Wärmeableitung
verlängert
die Lebensdauer der Bauelemente und erhöht somit die Zuverlässigkeit
der damit gebildeten Elektronikeinrichtungen.
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Bisherige
Lösungsansätze zur
Verbesserung der Wärmeableitung
bestehen vor allem darin, die thermische Anbindung des elektronischen
Bauelements an dessen Umgebung zu verbessern, beispielsweise durch
Bereitstellung von Wärmeableitpfaden
mit hoher Wärmeleitfähigkeit
innerhalb eines Schaltungsträgers
(z. B. "horizontale
Wärmespreizung") und/oder durch
Anbringung eines eigens hierfür
vorgesehenen Kühlkörpers in
gutem thermischen Kontakt zum Bauelement.
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Die
bekannten Maßnahmen
zur Verbesserung der Wärmeableitung
sind oftmals mit erheblichem Aufwand verbunden, insbesondere wenn
die betreffende Schaltungsanordnung eine besonders hohe Verlustleistung
erzeugt und/oder in einer Umgebung mit ver gleichsweise hoher Umgebungstemperatur
zu betreiben ist, wie dies beispielsweise bei Steuerelektronikeinheiten
im Bereich der Automobiltechnik vorkommt. Dort werden derartige
Einheiten zunehmend im Bereich von Fahrzeugkomponenten mit erhöhter Temperatur
angeordnet, wie beispielsweise Motor, Getriebe oder Bremsen. Außerdem behindern
spezielle Wärmeableitungsmaßnahmen
oftmals ein platzsparendes Layout von Leiterbahnen des verwendeten
Schaltungsträgers.
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Ein
weiterer Nachteil bekannter Schaltungsanordnungen ist deren oftmals
mangelnde Flexibilität hinsichtlich
auch kleinerer Änderungen
betreffend die Bestückung
mit elektronischen Bauteilen und/oder die Leitungsführung zwischen
diesen Bauteilen. Hierzu ein Beispiel: Der für ein Motorsteuergerät in einem Kraftfahrzeug
entwickelte und unter anderem mit einem Mikrocontroller-Chip bestückte Schaltungsträger muss
zumeist weitgehend umkonstruiert bzw. neu entwickelt werden, wenn
das Motorsteuergerät für eine zukünftige Serie
mit einem moderneren Mikrocontroller-Chip versehen werden soll.
Der vorangegangene Entwicklungsaufwand wird dann zu einem großen Teil
wertlos, da der vormalige Schaltungsträger nicht für die neue Serie weiter verwendet werden
kann.
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Aus
der
EP 0 219 627 B1 ist
eine elektronische Schaltungsanordnung bekannt, mittels welcher eine
gute Wärmeableitung
von den Bauelementen bei gleichzeitig hoher Packungsdichte der Bauelemente
erzielt werden soll. Die bekannte Schaltungsanordnung umfasst:
- – eine
Wärmesenke
in Form einer metallischen Trägerplatte
zur Ableitung von Wärme,
- – einen
an einer Oberseite der Wärmesenke
flächig
aufliegend thermisch gekoppelten ersten Schaltungsträger zur
Verdrahtung von elektronischen Bauelementen der Schaltungsanordnung, wobei
der erste Schaltungsträger
eine Aussparung aufweist, in welcher ein ungehäustes elektronisches Bauelement
angeordnet ist, dessen Unterseite mit der Oberseite der Wärmesenke
thermisch gekoppelt ist und welches über Bonddrähte mit Leiterbahnen des ersten
Schaltungsträgers verbunden
ist, und
- – einen
zweiten Schaltungsträger,
welcher über dem
ersten Schaltungsträger
liegt und mittels einer Verbindungsanordnung in Form von durchmetallisierten
Bohrungen elektrisch und mechanisch mit dem ersten Schaltungsträger verbunden
ist und einen gehäuseartigen
Abschluss für
das in der Aussparung aufgenommene Bauelement bildet.
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Das
direkte Anbonden des in der Aussparung aufgenommenen Bauelements
ermöglicht
eine relativ hohe Packungsdichte mehrerer nebeneinander in dieser
Weise angeordneter Bauelemente, wobei eine gute Wärmeableitung
für diese
Bauelemente durch die thermische Kopplung mit der Wärmesenke gegeben
ist. Nachteilig ist bei diesem Stand der Technik jedoch wieder die
oben bereits erläuterte mangelnde
Flexibilität
hinsichtlich auch kleinerer Änderungen
betreffend die Bestückung
mit elektronischen Bauteilen und/oder die Leitungsführung zwischen
diesen Bauteilen.
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Aus
der US 2005/0152117 A1 ist eine elektronische Schaltungsanordnung
bekannt, mit einer Wärmesenke
zur Ableitung von Wärme,
einem ersten Schaltungsträger
zur Verdrahtung von elektronischen Bauelementen der Schaltungsanordnung,
und einem zweiten Schaltungsträger
der ein in einer Aussparung des ersten Schaltungsträgers zwischen
dem zweiten Schaltungsträger und
der Wärmesenke
angeordnetes elektronisches Bauelement aufweist, von welchem Bauelementanschlüsse mit
unterseitigen Kontaktstellen des zweiten Schaltungsträgers elektrisch
verbunden sind und dessen Unterseite mit der Oberseite der Wärmesenke
thermisch gekoppelt ist.
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Vorteilhaft
ergibt sich eine gute Wärmeableitung
für das
Bauelement, die Wärmesenke
ist jedoch weder mit der ersten Schaltungsplatte noch der zweiten
Schaltungsplatte unmittelbar thermisch gekoppelt, was die Wärmeableitung
für andere
Bauelemente dieser Schaltungsträger
beeinträchtigt.
Ferner ergibt sich wieder eine mangelnde Flexibilität hinsichtlich Änderungen
betreffend die Bestückung
und/oder die Leitungsführung.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile
zu beseitigen und insbesondere eine elektronische Schaltungsanordnung
sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaltungsanordnung
anzugeben, bei welchen eine gute Wärmeableitungsfähigkeit
mit einem hohen Maß an
Flexibilität
hinsichtlich in der Praxis vorkommender schaltungstechnischer Änderungen kombiniert
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und
ein Verfahren zur Herstel lung einer elektronischen Schaltungsanordnung
nach Anspruch 15. Die abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei
der Erfindung wird zunächst
insoweit ein an sich bekanntes, kostengünstiges und im Hinblick auf
die Wärmeableitung
sehr vorteilhaftes Konzept übernommen,
als ein Schaltungsträger
(nachfolgend als "erster
Schaltungsträger" bezeichnet) mit
einer Oberseite einer Wärmesenke
flächig
aufliegend thermisch gekoppelt wird.
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Für wenigstens
ein elektronisches Bauelement der Schaltungsanordnung wird gemäß der Erfindung
jedoch eine besondere Integration bzw. Anordnung vorgesehen, die
mit einer erheblich gesteigerten Wärmeableitfähigkeit für das betreffende Bauelement
einhergeht und darüber
hinaus überraschenderweise
noch weitere Vorteile im Zusammenhang mit in der Praxis etwaig vorkommenden Änderungen
der Bestückung
und/oder der Leitungsführung
bietet. Wesentlich ist hierfür
das Vorsehen wenigstens eines weiteren Schaltungsträgers, nachfolgend
auch als "zweiter
Schaltungsträger" bezeichnet, mittels
welchem eine in der Praxis sehr einfach anpassbare Bestückung bzw.
anpassbare elektrische Kontaktierung des oder der betreffenden Bauelemente
realisiert wird. Außerdem
besitzt der zweite Schaltungsträger
Bedeutung im Zusammenhang mit einer optimalen Wärmeableitung von dem oder den betreffenden
Bauelementen zur Wärmesenke.
Diese Vorteile werden unten noch detaillierter erläutert.
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Die
Wärmesenke,
die z. B. auch einen Teil eines Gehäuses einer betreffenden Elektronikeinheit bilden
kann, ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
gebildet (z. B. als Metallplatte).
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Für einen
einfachen Aufbau der Schaltungsanordnung und insbesondere für eine einfach
und effizient zu realisierende thermische Kopplung zwischen dem
ersten Schaltungsträger
und der Wärmesenke
ist es günstig,
wenn die Wärmesenke
eine ebene Oberseite besitzt. Insbesondere wenn auch der erste Schaltungsträger plattenförmig mit
einer ebenen Unterseite ausgebildet ist, so lässt sich die thermische Kopplung
in einfacher Weise z. B. durch Zwischenfügung einer Wärmeleitfolie
oder eines wärmeleitenden
Klebers bewerkstelligen.
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An
der der Wärmesenke
abgewandten Seite des ersten Schaltungsträgers kann in an sich bekannter
Weise eine Bestückung
mit elektronischen Bauteilen der Schaltungsanordnung vorgesehen sein,
die entsprechend dem elektrischen Layout durch Leiterbahnen auf
und/oder in dem Schaltungsträger
elektrisch miteinander verbunden sind.
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Im
Hinblick auf die im Rahmen der Erfindung besonders interessierende
Verwendung der Schaltungsanordnung im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik
und den damit verbundenen erhöhten
Anforderungen an eine effiziente Wärmeableitung von möglichst
vielen Bauteilen ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass
der erste Schaltungsträger
als eine Keramik ausgebildet ist oder als ein herkömmliches
PCB (= "printed
circuit board" ausgebildet
ist.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der zweite Schaltungsträger plattenförmig ist, beispielsweise
als im Wesentlichen rechteckige Platte ausgebildet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der zweite Schaltungsträger
als ein so genanntes LTCC-Substrat ausgebildet (LTCC = "low temperature cofired
ceramic").
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Für eine einfache
elektrische Verbindung zwischen dem ersten Schaltungsträger und
dem zweiten Schaltungsträger
kann die hierfür
vorgesehene Anordnung beispielsweise eine Bonddrahtanordnung und/oder
eine (z. B. aufgeklebte) Leiterbahnfolie umfassen. Günstig ist
es in diesem Zusammenhang auch, wenn die elektrisch miteinander
zu verbindenden bzw. miteinander verbundenen oberseitigen Kontaktstellen
("Pads") des ersten Schaltungsträgers und
des zweiten Schaltungsträgers
sich etwa auf gleicher Höhe
befinden. Wenn sowohl der erste als auch der zweite Schaltungsträger jeweils
als ebene Platte ausgebildet ist, so bedeutet dies, dass die Dicke
des zweiten Schaltungsträgers
in etwa der um die entsprechende Bauelementdicke reduzierten Plattendicke
des ersten Schaltungsträgers
entspricht. Prinzipiell ist es jedoch nicht ausgeschlossen, dass
der zweite Schaltungsträger
dicker oder dünner
ist und somit nach oben aus der Aussparung heraussteht (nur teilweise
in der Aussparung aufgenommen ist) bzw. in der Aussparung abgesenkt
ist. Eine sich dann ergebende Höhendifferenz
kann in einfacher Weise z. B. durch Bonddrähte überbrückt werden.
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Die
zur Aufnahme des zweiten Schaltungsträgers vorgesehene Aussparung
kann prinzipiell auch am Rand des ersten Schaltungsträgers vorgesehen
sein, was in bestimmten Fällen
vorteilhaft sein kann. Im Hinblick auf eine möglichst stabile Anordnung des
zweiten Schaltungsträgers
ist es jedoch ganz allgemein bevorzugt, wenn die Aussparung in einem
mittleren Bereich des ersten Schaltungsträgers vorgesehen ist. In diesem
Fall lässt
sich eine mechanisch stabile Lagerung des zweiten Schaltungsträgers oftmals
bereits durch eine ringsherum verlaufende und/oder den zweiten Schaltungsträger abdeckende
elektrische Verbindungsanordnung gewährleisten, oder weiter verbessern.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das zwischen dem zweiten Schaltungsträger und der Wärmesenke
angeordnete elektronische Bauelement ein ungehäuster Chip (mikroelektronisches Bauelement,
insbesondere integrierte Schaltungsanordnung). Damit ergibt sich
eine gewisse Platzersparnis und darüber hinaus ein weiterer Vorteil
hinsichtlich der Ableitung von Wärme,
die in diesem Fall unmittelbar (nicht über ein Gehäuse) zur Wärmesenke hin abgeführt werden
kann.
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Eine
besonders gute thermische Kopplung zwischen dem Bauelement und der
Wärmesenke
ergibt sich beispielsweise dann, wenn die Unterseite des Bauelements
mit der Oberseite der Wärmesenke flächig aufliegend
thermisch gekoppelt ist. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass
z. B. eine dünne wärmeleitende
Haftschicht zwischengefügt
ist.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das zwischen dem zweiten Schaltungsträger und
der Wärmesenke
angeordnete elektronische Bauelement an seiner Unterseite geschliffen
ist. Ein solches Schleifen kann eine ganze Reihe von Vorteilen bieten,
insbesondere wenn die Unterseite des Bauelements mit der Oberseite
der Wärmesenke
in Kontakt tritt. So kann damit zunächst der Wärmeableitungsweg von den elektrisch
aktiven Bereichen des Bauelements zur Wärmesenke (oder einer Zwischenschicht)
hin verkürzt
und/oder der Wärmeübergangswiderstand
zwischen dem Bauelement und der Oberseite der Wärmesenke verringert werden.
Ferner kann damit die Höhe
des Bauelements auf ein gewünschtes
Maß gebracht
werden, sei es zur Gewährleistung
einer vorbestimmten Höhe
des Verbunds aus zweitem Schaltungsträger und Bauelement oder zur
Anpassung der Bauelementdicke an die Dicke eines oder mehrerer weiterer
Bauelemente, die zwischen demselben zweiten Schaltungsträger und
der Wärmesenke
angeordnet werden.
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In
einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das zwischen dem zweiten Schaltungsträger und
der Wärmesenke
angeordnete elektronische Bauelement über ein wärmeleitendes Füllmaterial, beispielsweise
eine wärmeleitende
Klebstoffschicht, mit der Oberseite der Wärmesenke gekoppelt ist. Dasselbe
Füllmaterial
oder ein weiteres Füllmaterial kann
auch dazu verwendet werden, ansonsten mit Luft gefüllte Bereiche
des Zwischenraums zwischen dem zweiten Schaltungsträger und
der Wärmesenke z.
B. zwecks Erhöhung
der Wärmeableitfähigkeit
aufzufüllen.
Ein solches Füllmaterial,
welches z. B. auch elastische Eigenschaften besitzen kann, kann
in manchen Anwendungsfällen
auch die Vibrationsfestigkeit verbessern.
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Die
Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:
- – Bereitstellen
eines ersten Verbunds aus einer Wärmesenke zur Ableitung von
Wärme und
einem an einer Oberseite der Wärmesenke
flächig aufliegend
thermisch gekoppelten ersten Schaltungsträger zur Verdrahtung von elektronischen Bauelementen
der Schaltungsanordnung, wobei der erste Schaltungsträger eine
zur Oberseite der Wärmesenke
hin durchgehende Aussparung besitzt (Der erste Schaltungsträger kann
vor, während
oder nach seiner Verbindung mit der Wärmesenke mit Bauelementen bestückt werden.
Außerdem
kann der erste Schaltungsträger
mit mehreren solchen Aussparungen vorgesehen sein),
- – Bereitstellen
eines zweiten Verbunds aus einem zweiten Schaltungsträger und
einem elektronischen Bauelement, von welchem Bauelementanschlüsse mit
unterseitigen Kontaktstellen des zweiten Schaltungsträgers elektrisch
verbunden sind (Hierbei können
auch mehrere Bauelemente in dieser Weise am zweiten Schaltungsträger angebunden
werden und/oder auch mehrere solcher zweiten Verbünde bereitgestellt
werden),
- – Einfügen des
zweiten Verbunds (oder der zweiten Verbünde) in die Aussparung(en)
des ersten Verbunds, derart, dass die Unterseite des elektronischen
Bauelements in thermischen Kontakt mit der Oberseite der Wärmesenke
tritt, z. B. durch flächige
Auflage, sei es direkt oder indirekt über eine wärmeleitende Zwischenschicht
(Die Aussparung kann vor dem Einfügen des zweiten Verbunds auch
zumindest teilweise mit einer gut wärmeleitenden Masse aufgefüllt werden,
z. B. einer aushärtbaren
Vergussmasse), und
- – elektrisches
Verbinden von oberseitigen Kontaktstellen des ersten Schaltungsträgers mit
oberseitigen Kontaktstellen des oder der zweiten Schaltungsträger.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
gewährleistet
eine gute, da mehr oder weniger unmittelbare Wärmeableitung von dem oder den
am zweiten Schaltungsträger
kontaktierten Bauelementen zur Wärmesenke
hin. Mit dem zweiten Schaltungsträger kann vorteilhaft eine so
genannte Entflechtung der Bauelementanschlüsse erfolgen, welche in unmittelbarem
elektrischen Kontakt mit unterseitigen Kontaktstellen des zweiten
Schaltungsträgers
stehen und durch den zweiten Schaltungsträger hindurch zu oberseitigen
Kontaktstellen führen.
Abhängig von
der für
den zweiten Schaltungsträger
gewählten
Technologie (z. B. LTCC) können
an oder in diesem Schaltungsträger
noch weitere elektronische Bauelemente bzw. elektronische Funktionalitäten integriert
sein, etwa zur Anpassung an eine "periphere Elektronik" die von dem ersten Schaltungsträger samt
seiner Bestückung
gebildet wird. Insbesondere für
eine solche Anpassung kann auch vorgesehen sein, dass der zweite
Schaltungsträger
auch auf seiner der Wärmesenke
abgewandten Seite mit wenigstens einem Bauelement bestückt wird.
Eine solche Bestückung
kann z. B. gleichzeitig mit der Herstellung des oben erwähnten zweiten
Verbunds erfolgen, oder auch später.
Zu beachten ist hierbei jedoch, dass die Wärmeableitungsfähigkeit
für solche
zusätzlichen
Bauelemente auf dem zweiten Schaltungsträger vergleichsweise schlecht
ist, so dass dieser Bestückungsort
sich insbesondere für
Bauelemente eignet, die eine wesentlich geringere thermische Verlustleistung
erzeugen als das oder die unter dem zweiten Schaltungsträger angeordneten
Bauelemente.
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Vorteilhaft
ergibt sich gemäß der Erfindung eine
gewisse Modularisierung des Gesamtaufbaus insofern, als ein oder
mehrere elektronische Bauelemente (im Verbund mit dem zweiten Schaltungsträger) modulartig
in die Schaltungsanordnung einbezogen sind. Dies besitzt für die betreffenden
Schaltungskomponenten augenscheinlich Vorteile im Hinblick auf eine
Reparierbarkeit der Schaltungsanordnung (durch Austausch von Modulen)
sowie im Hinblick auf etwaige in der Praxis vorkommende spätere Änderungen
der Schaltungsanordnung (Bestückungsvarianten).
In letzterem Fall ermöglicht
der modulartige Aufbau unter Umständen die Weiterverwendung der
peripheren Elektronik (erster Schaltungsträger samt Bestückung) in
Verbindung mit einem oder mehreren geänderten Modulen (zweite Schaltungsträger samt
Bestückung).
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es stellen dar:
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1 ist
eine schematische Draufsicht einer Schaltungsanordnung, und
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2 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie II-II in 1.
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1 zeigt
eine in einem Kraftfahrzeuggetriebe-Steuergerät enthaltene Schaltungsanordnung 10 umfassend
eine Wärmesenke 12 (die
im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
einen Teil eines Steuergerätgehäuses bildet),
einen an einer Oberseite 14 der Wärmesenke flächig aufliegend thermisch gekoppelten
ersten Schaltungsträger 16 sowie
zweite Schaltungsträger 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4.
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Die
Wärmesenke 12 ist
in einfacher und effizienter Weise von einer ebenen Aluminium-Druckguss-Platte
einheitlicher Dicke gebildet, die einen Boden des die Schaltungsanordnung
aufnehmenden Gehäuses
(nicht dargestellt) bildet. Die Dicke der Wärmesenke 12 ist wesentlich
größer als
die Dicke des Schaltungsträgers 16.
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Der
erste Schaltungsträger 16 ist
als Dickschichtkeramik ausgebildet. Ein gängiges Material zur Bildung
von Keramikträgerplatten
ist z. B. Al2O3. Solche
Dickschichtkeramiken sind Fachleuten aus dem Bereich der Hochtemperatur-Elektronik
wohlbekannt und bedürfen
daher keiner näheren
Erläuterung.
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Ferner
umfasst die Schaltungsanordnung 10 eine Vielzahl von elektronischen
Bauelementen, die zu einem Teil in an sich bekannter Weise auf der Oberseite
des ersten Schaltungsträgers 16 angeordnet
und mittels desselben verdrahtet sind. Von diesem Teil der Bauelemente
sind lediglich beispielhaft ein in so genannter Flip-Chip-Technologie
aufgebrachter, ungehäuster
integrierter Schaltkreis 20 und ein gehäuster integrierter Schaltkreis 22 in
der Figur eingezeichnet.
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Ganz
allgemein wird bei Flip-Chips wie dem Chip 20 die Verbindung
zum Schaltungsträger
nicht durch Bonden hergestellt, sondern durch direkte Klebe- oder
Lötverbindungen
zwischen den Kontaktstellen des Chips und des Schaltungsträgers. Die Flip-Chip-Technologie
ermöglicht
somit die Entflechtung der Verbindungen über den Schaltungsträger ohne
Bondverbindungen. Eine besondere Variante dieser Technologie zur
Miniaturisierung von elektronischen Einrichtungen sind so genannte "Ball-Grid-Arrays" (BGAs), bei welchen
anstelle von peripheren Bauelementanschlüssen der elektrische Kontakt über elektrisch
leitende, in einer Punktmatrix angeordnete Kugeln erfolgt. Für diese
Kugelanordnung stehen vorteilhaft zwei Dimensionen zur Verfügung, wodurch
auch eine größere Anzahl
von Kontakten platzsparend realisiert werden kann.
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Ein
weiterer Teil der Bauelemente der Schaltungsanordnung 10 (hier:
in Flip-Chip-Technologie, alternativ z. B. BGA) ist demgegenüber an der
Unterseite der zweiten Schaltungsträger 18 angeordnet, die
jeweils in einer zur Oberseite 14 der Wärmesenke 12 hin durchgehenden
Aussparung 24-1, 24-2 und 24-3 aufgenommen
sind.
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Die
zweiten Schaltungsträger 18 sind
als LTCC ausgebildet. Derartige mehrlagige in Hybrid- oder Mikrohybridtechnologie hergestellte
Keramikträgerplatten
sind an sich bekannt und gestatten neben ihrer Verdrahtungsfunktion
auch die Integration von weiteren Bauelementen in einem dreidimensionalen Aufbau.
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Jeder
zweite Schaltungsträger 18 weist
an seiner Oberseite Kontaktstellen ("Pads") 26 auf,
die jeweils entweder mit solchen Kontaktstellen 26 eines in
derselben Aussparung 24 unmittelbar benachbart angeordneten
zweiten Schaltungsträgers 18 oder
mit oberseitigen Kontaktstellen 28 des ersten Schaltungsträgers 16 elektrisch
verbunden sind.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die zweiten Schaltungsträger 18-2 und 18-3 gemeinsam
nebeneinander in einer in einem mittleren Bereich des ersten Schaltungsträgers 16 vorgesehenen Aussparung 24-2 aufgenommen.
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Demgegenüber sind
die zweiten Schaltungsträger 18-1 und 18-4 in
separat vorgesehenen Aussparungen 24-1 bzw. 24-3 aufgenommen,
von welchen die Aussparung 24-3 am Rand des ersten Schaltungsträgers 16 vorgesehen
ist.
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Abweichend
vom dargestellten Ausführungsbeispiel
könnte
eine zur Aufnahme eines oder mehrerer zweiter Schaltungsträger 18 vorgesehene
Aussparung 24 auch als Zwischenraum zwischen zwei seitlich
zueinander beabstandeten ersten Schaltungsträgern 16 vorgesehen
sein.
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Die
elektrische Verbindung zwischen den zweiten Schaltungsträgern 18-1, 18-2 und 18-3 einerseits
und dem ersten Schaltungsträger 16 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
durch Bonddrähte 30 an
den Pads 26, 28 realisiert, wohingegen die Verbindung
zwischen dem zweiten Schaltungsträger 18-4 und dem ersten
Schaltungsträger 16 hier
durch eine aufgeklebte Leiterbahnfolie 32 mit entsprechenden
Leiterbahnen hergestellt ist. Nach dem Bondprozess werden die Bonddrähte 30 noch
vergossen (mechanischer Schutz und Verbesserung der Vibrationsbeständigkeit).
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Die
an den Unterseiten der zweiten Schaltungsträger 18 angeordneten
Bauelemente sind in der Figur mit 34-1 bis 34-5 bezeichnet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei diesen Bauelementen 34 um ungehäuste integrierte
Schaltkreise ("bare
dies"), von denen
Bauelementanschlüsse
mit unterseitigen Kontaktstellen des betreffenden zweiten Schaltungsträgers 18 in
Flip-Chip-Technologie elektrisch verbunden sind und deren Unterseite mit
der Oberseite 14 der Wärmesenke 12 flächig aufliegend
thermisch gekoppelt sind.
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Diese
für die
Bauelemente 34 für
die Wärmeableitung
sehr vorteilhafte Anordnung ist am Beispiel des Bauelements 34-1 in
der Schnittansicht von 2 besonders gut ersichtlich.
Die Unterseite des Chips 34-1 liegt unmittelbar oder über eine
wärmeleitende
Zwischenschicht (z. B. Haftschicht, nicht dargestellt) vollflächig an
der Oberseite 14 der Wärmesenke 12 an.
Die elektrisch aktiven Bereiche des Bauelements 34-1 befinden
sich im oberen Abschnitt desselben, wo die unmittelbare elektrische
Kontaktierung zum zweiten Schaltungsträger 18-1 hin stattfindet. Vorteilhaft
gibt es nur geringfügige
thermische Widerstände
zwischen dem thermisch aktiven Bereich des Bauteils 34-1 und
der Wärmesenke 12.
Der thermisch aktive Bereich des Bauelements 34-1 wird somit
optimal mit der Wärmesenke 12 gekoppelt.
Damit verbunden ist die Auswertung des Einsatzbereiches der betreffenden
Elektronik hin zu höheren
Umgebungstemperaturen und/oder höheren
Verlustleistungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Flip-Chip-Aufbauten
erfolgt die Entwärmung
des Bauelements nicht über
den Schaltungsträger.
Vielmehr wird das Bauelement optimal mit einer großflächigen und
vergleichsweise dicken Wärmesenke
in thermische Verbindung gebracht.
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Bei
der für
den zweiten Schaltungsträger 18-3 in 1 dargestellten
Anordnung von mehr als einem Bauelement 34 unter dem Schaltungsträger (Bauelemente 34-3 und 34-4)
können
Höhenunterschiede
dieser Bauelemente durch eine Vergussmasse, einen Leitkleber oder
dergleichen oder durch rückseitiges
Schleifen der betreffenden Bauelemente ausgeglichen werden.
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Der
zweite Schaltungsträger 18-1 stellt
eine elektrische Verdrahtung von seinen unterseitigen Kontaktstellen
zu seinen oberseitigen Kontaktstellen 26 bereit, über welche
die oben erläuterte
Weiterkontaktierung (hier: zu den Kontaktstellen 28 des
ersten Schaltungsträgers 16)
erfolgt. Entsprechendes gilt für
die in 2 nicht ersichtlichen Schaltungsträger 18-2, 18-3 und 18-4.
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Eine
andere Art von elektrischer Verbindung zwischen dem ersten Schaltungsträger und
einem der zweiten Schaltungsträger
ist in 1 bei dem zweiten Schaltungsträger 18-4 ersichtlich.
Dort ist die Verbindung zwischen den Pads 26, 28 mittels
der aufgeklebten Leiterbahnfolie 32 realisiert, welche gleichzeitig
Leiterbahnen zu weiteren oberseitigen Pads 36 des ersten
Schaltungsträgers 16 führt, um die
Schaltungsanordnung 10 mit einer externen Leitungsverbindung
und/oder weiteren Schaltungsträgern
bzw. Schaltungsanordnungen zu verbinden, die in derselben Elektronikeinheit
(Steuergerät)
untergebracht sind.
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Wenngleich
die beim beschriebenen Ausführungsbeispiel
erwähnten
Technologien zur Implementierung der Schaltungsträger 16 und 18 als
bevorzugt zu betrachten sind, so kann jeder dieser Schaltungsträger prinzipiell
auch in einer anderen geeigneten Technologie gefertigt werden, die
eine Anordnung und elektrische Verdrahtung von Bauelementen gestattet.
Für die
zweiten Schaltungsträger 18 kommt
hierbei insbesondere auch die so genannte HTCC-Technologie in Betracht
(HTCC = "high temperature
cofired ceramics").
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Zur
Herstellung der Schaltungsanordnung 10 wird zunächst ein
erster Verbund aus der Wärmesenke 12 und
dem ersten Schaltungsträger 16 gefertigt,
wobei der Schaltungsträger 16 zuvor
oder danach mit den daran vorgesehenen Bauelementen (20, 22 etc.)
bestückt
wird. Außerdem
werden zweite Verbünde
gefertigt, die jeweils aus einem der zweiten Schaltungsträger 18 und
dem oder den daran angeordneten Bauelementen (34) bestehen.
Diese zweiten Verbünde
bzw. Module werden dann mit den Bauelementen voran in die Aussparungen 24 des
ersten Schaltungsträgers 16 eingefügt, wobei
zur Befestigung und/oder besseren Wärmekontaktierung ein gut wärmeleitendes
Haftmaterial oder eine geeignete Vergussmasse vorgesehen wird. Schließlich werden die
oberseitigen Kontaktstellen des ersten Schaltungsträgers 16 mit
den benachbarten oberseitigen Kontaktstellen der zweiten Schaltungsträger 18 elektrisch
verbunden, beim obigen Ausführungsbeispiel teilweise
durch die Bonddrähte 30 und
teilweise durch die Leiterbahnfolie 32.
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Zusammenfassend
ergibt sich bei der Schaltungsanordnung 10 für die mehr
oder weniger unmittelbar zur Wärmesenke
hin thermisch angekoppelten Bauelemente 34 eine überragende
Entwärmung.
Die besondere Gestaltung hinsichtlich der Anordnung der Bauelemente 34 eignet
sich insbesondere sowohl für
Stan dard-Chips als auch für
speziell präparierte
Flip-Chips. In einer Ausführungsform
ist vorgesehen, dass wenigstens eines dieser Bauelemente 34 ein
Leistungsbaustein (z. B. ASIC oder Schalttransistor) oder ein Mikrocontroller-Chip
ist. Außerdem können diese
Bauelemente 34 zusammen mit den zugeordneten zweiten Schaltungsträgern 18 in
der Praxis vorteilhaft als im Laufe der Zeit sich verändernde
elektronische Module in die ansonsten unveränderte, periphere Elektronik
integriert werden, die von dem ersten Schaltungsträger 16 samt
dessen Bestückung
geschaffen wurde. Erwähnenswert
ist auch der Vorteil, dass eine so genannte Umverdrahtung von komplexeren
mikroelektronischen Schaltkreisen (z. B. den erwähnten Mikrocontrollern oder anderen
Mikroprozessoreinrichtungen) zur Anpassung an eine periphere Elektronik
bzw. Technologie nicht mehr auf Waferebene stattfinden muss, sondern
falls notwendig durch den betreffenden zweiten Schaltungsträger 18 stattfinden
kann.