DE102022135026B3

DE102022135026B3 - Leistungselektronisches Modul, leistungselektronischer Modulblock, Leiterplatte mit leistungselektronischem Modul bzw. Leiterplattenbauelement und Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls

Info

Publication number: DE102022135026B3
Application number: DE102022135026.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gottwald
Original assignee: Schweizer Electronic AG
Current assignee: Schweizer Electronic AG
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2042-12-31
Also published as: US20240222208A1; CN118283918A; DE102023136767A1

Abstract

Leistungselektronisches Modul (10) zur Integration in eine Leiterplatte (50), mit einem Trägersubstrat (12) und einem in eine dazu vorgesehene Vertiefung (14) in dem Trägersubstrat (12) eingebrachten leistungselektronischen Bauelement (16), wobei das Trägersubstrat (12) einen Mehrschichtaufbau mit einer isolierenden Innenlage (22) mit einer dem leistungselektronischen Bauelement (16) zugeordneten Metalloberlage (24) und einer bauelementfernen Metallunterlage (26) umfasst, wobei das Modul ein sich außerhalb des Mehrschichtaufbaus im wesentlichen senkrecht zu den Schichten des Mehrschichtaufbaus erstreckendes Anschlusselement (34) zur elektrischen Anbindung des leistungselektronischen Bauelements (16) aufweist, das sich über eine Höhe des Trägersubstrats (12) bis zu der Metallunterlage (26) erstreckt und im wesentlichen bündig mit einer Außenfläche (27) der Metallunterlage (26) abschließt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein leistungselektronisches Modul und einen leistungselektronischen Modulblock sowie eine Leiterplatte mit einem leistungselektronischen Modul bzw. einem leistungselektronischen Modulblock.
Beschreibung des Standes der Technik
Aus der EP 2 524 394 B1 ist ein elektronisches Bauteil bekannt, dass zur Integration in eine Leiterplatte vorgesehen ist und eine elektrisch leitende Kernschicht mit beidseitig aufgebrachten weiteren elektrisch leitenden Schichten umfasst, wobei ein elektronisches Bauelement in einer Ausnehmung der weiteren elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist. Zur Integration in eine Leiterplatte wird das elektronische Bauteil in eine dafür vorgesehene Aussparung der Leiterplatte eingesetzt und mit dieser gemeinsam der Art verpresst das nach dem Verpressen die Oberfläche der Leiterplatte bündig mit der Oberfläche des Bauteils abschließt als gemeinsame Außenlage der Leiterplatte und des Bauteils wird anschließend eine Kupferschicht aufgebracht, die als Schnittstelle zu einem Kühlkörper dient.
Die DE 10 2018 207 955 A1 offenbart ein leistungselektronisches Metall-Keramik-Modul mit einem Metall-Keramik-Substrat aus einem Keramikträger mit einer Metalloberlage und einer Metallunterlage. Auf oder in der Metalloberlage ist ein Rahmen vorgesehen, in dem ein elektronisches Bauelement aufgenommen ist.
Aus der DE 10 2020 132 808 A1 ist ein Leiterplattenmodul mit einer Leiterplatte und einem Kühlkörper sowie einem zwischen der Leiterplatte und dem Kühlkörper vorgesehenen flächigen Wärmeleitelement bekannt, das einen mit einem Phasenwechselmaterial beschichteten Keramikträger umfasst. Die Leiterplatte weist einen Leiterplattenschicht Aufbau mit einem in einer Ausnehmung angeordneten Lead Frame mit einem in einer darin ausgebildeten Vertiefung angeordneten elektronischen Bauelement auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausgehend hiervon werden erfindungsgemäß ein leistungselektronisches Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein leistungselektronischer Modulblock mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Des weiteren werden eine Leiterplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls mit den Merkmalen des Anspruchs 14 vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß ist das Trägersubstrat zumindest in einem Bereich unterhalb des leistungselektronischen Bauelements als Kühlkörper bzw. Entwärmungskörper aus einem oder mehreren Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet, was einen direkten Einsatz des Trägersubstrats als wärmeabführendes Element gestattet. Insbesondere ermöglicht dies die erfindungsgemäße direkte Umströmung des Trägersubstrats mit Kühlfluid. Die Erkenntnis der Erfindung liegt darin begründet, den thermischen Widerstand des Trägersubstrats zu minimieren, um eine besonders effiziente Wärmeableitung zu erzielen. Der thermische Widerstand im Gesamtaufbau des Trägersubstrats sollte 1 K/W pro Zelle (d.h. pro zugeordnetem Bauelement) nicht übersteigen. Angestrebt werden Werte von 0,1 K/W bis 0,4 K/W pro Zelle ohne Berücksichtigung einer Kühlfluid-führenden Struktur. Bei Parallelschaltung mehrerer Zellen verhalten sich die thermischen Widerstände wie Ohm'sche Widerstände (1/R_ges= 1/R₁ + 1/R₂ ...+1/R_n).
Unter dem Begriff des leistungselektronischen Modulblocks ist vorliegend ein ein leistungselektronisches Bauelement umfassendes Halbzeug zu verstehen, der zur Integration in eine Leiterplatte vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist er durch geeignete Verkapselung eines leistungselektronischen Moduls nach der vorliegenden Erfindung gebildet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Im folgenden ist eine nummerierte Liste von Aspekten der Erfindung wiedergegeben:

1. Leistungselektronisches Modul (10) zur Integration in eine Leiterplatte (50), mit einem Trägersubstrat (12) und einem in eine dazu vorgesehene Vertiefung (14) in dem Trägersubstrat (12) eingebrachten leistungselektronischen Bauelement (16), wobei das Trägersubstrat (12) einen Mehrschichtaufbau mit einer isolierenden Innenlage (22) mit einer dem leistungselektronischen Bauelement (16) zugeordneten Metalloberlage (24) und einer bauelementfernen Metall-unterlage (26) umfasst, wobei das Modul ein sich außerhalb des Mehrschichtaufbaus im wesentlichen senkrecht zu den Schichten des Mehrschichtaufbaus erstreckendes Anschlusselement (34) zur elektrischen Anbindung des leistungselektronischen Bauelements (16) aufweist, das sich über eine Höhe des Trägersubstrats (12) bis zu der Metallunterlage (26) erstreckt und im wesentlichen bündig mit einer Außenfläche (27) der Metallunterlage (26) abschließt.
2. Leistungselektronisches Modul nach Aspekt 1, bei dem auf oder in der Metalloberlage ein Rahmen zur Aufnahme des leistungselektronischen Bauelements vorgesehen ist, der aus elektrisch leitfähigem Material besteht und zur Bildung eines elektrischen Anschlusselements für das leistungselektronische Bauelement einen über das Trägersubstrat hinausragenden Abschnitt umfasst.
3. Leistungselektronisches Modul nach Aspekt 2, bei dem eine Dicke des Rahmens einer Dicke bzw. Höhe des Bauelements entspricht.
4. Leistungselektronisches Modul nach einem der Aspekte 1 bis 3, bei dem eine Dicke der Vertiefung einer Dicke bzw. Höhe des Bauelements entspricht.
5. Leistungselektronisches Modul nach einem der Aspekte 2 bis 4, bei dem der über das Trägersubstrat hinausragende Abschnitt biegbar ausgestaltet ist.
6. Leistungselektronisches Modul nach Aspekt 5, bei dem der über das Trägersubstrat hinausragende Abschnitt derart gebogen ist, dass er sich über eine Höhe des Trägersubstrats bis zu der Metallunterlage erstreckt.
7. Leistungselektronisches Modul nach Aspekt 6, bei dem der über das Trägersubstrat hinausragende Abschnitt derart gebogen ist, dass er im wesentlichen bündig mit einer Außenfläche der Metallunterlage abschließt.
8. Leistungselektronisches Modul nach Aspekt 6 oder 7, bei dem der gebogene Abschnitt im Querschnitt im wesentlichen eine S-Form oder eine doppelte S-Form aufweist.
9. Leistungselektronisches Modul nach einem der Aspekte 2 bis 4, bei dem zusätzlich die Metalloberlage und der Keramikträger zusammen mit dem Rahmen über das Trägersubstrat hinausragen und zur Ausbildung des elektrischen Anschlusselements ein sich durch die Schicht des Keramikträgers hindurch erstreckender Leitungsabschnitt vorgesehen ist.
10. Leistungselektronisches Modul nach Aspekt 9, dessen Leitungsabschnitt mittels mindestens einer Durchkontaktierung durch den Keramikträger ausgebildet ist.
11. Leistungselektronisches Modul nach einem der Aspekte 1 bis 10, dessen Trägersubstrat zumindest in einem Bereich unterhalb des leistungselektronischen Bauelements als Kühlkörper bzw. Entwärmungskörper aus einem oder mehreren Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist.
12. Leistungselektronisches Modul nach einem der Aspekte 1 bis 11, bei dem ein bauelementferner Abschnitt des Trägersubstrats zu einem Kontakt mit Kühlfluid ausgebildet ist.
13. Leistungselektronisches Modul nach Aspekt 12, bei dem der bauelementferne Abschnitt des Trägersubstrats zu einem direkten Kontakt mit Kühlfluid ausgebildet ist.
14. Leistungselektronisches Modul nach Aspekt 13, bei dem der bauelementferne Abschnitt des Trägersubstrats eine kühlfluidkompatible Beschichtung aufweist.
15. Leistungselektronisches Modul nach einem der Aspekte 1 bis 14, bei dem ein bauelementferner Abschnitt des Trägersubstrats oberflächenvergrößernde bzw. wärmeableitende Strukturen und/oder kühlfluidleitende Strukturen aufweist.
16. Leistungselektronisches Modul nach einem der Aspekte 1 bis 14, bei dem einem bauelementfernen Abschnitt des Trägersubstrats oberflächenvergrößernde bzw. wärmeableitende Strukturen und/oder kühlfluidleitende Strukturen zugeordnet sind, bspw. als separat ausgebildeter Kühlstrukturkörper, der insbesondere mittels Fügens an einer Außenfläche der Metallunterlage angebracht ist, und dessen Grundfläche bspw. größer als die Grundfläche des Trägersubstrats bzw. der Metallunterlage sein kann.
17. Leistungselektronisches Modul nach Aspekt 15 oder 16, wobei oberflächenvergrößernde bzw. wärmeableitende Strukturen und/oder kühlfluidleitende Strukturen insb. Kanäle, Kühlrippen, Kühlstifte, Noppen und/oder Ankontaktierungen o.dgl. sind.
18. Leistungselektronischer Modulblock zur Integration in eine Leiterplatte, der aus einem leistungselektronischen Modul nach einem der Aspekte 1 bis 17 gebildet ist, das mittels Spritzgießen bzw. Transfermolden mit einer Formmasse derart zu einem monolithischen Block verkapselt ist, dass eine obere Außenfläche des Trägersubstrats und eine Außenfläche der Metallunterlage zur Ankontaktierung geeignet freiliegen.
19. Modulblock nach Aspekt 18, dessen Formmasse aus der Gruppe der Formaldehyde, insbesondere Phenoplaste oder Melaminharze, oder der Reaktionsharze, insbesondere Polyester oder insbesondere der Epoxidharze, ausgewählt ist.
20. Modulblock nach Aspekt 18 oder 19, der mittels folienunterstütztem Transfermolden hergestellt ist.
21. Leiterplatte mit einem Leiterplattenschichtaufbau und einem in den Leiterplattenschichtaufbau eingesetzten und mit diesem verpressten leistungselektronischen Modul nach einem der Aspekte 1 bis 17.
22. Leiterplatte nach Aspekt 21, mit einem Kühlfluidstromkörper, der einem bauelementfernen Abschnitt des Trägersubstrats zugeordnet an einer Außenfläche der Leiterplatte angeordnet ist.
23. Leiterplatte nach Aspekt 22, bei der ein bauelementferner Abschnitt des Trägersubstrats zur Beaufschlagung mit Kühlfluid freigelegt ist, insbesondere durch Tiefenfräsen.
24. Leiterplatte nach Aspekt 23, wobei der Kühlfluidstromkörper eine Kühlfluidführungsstruktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, Kühlfluid dem freigelegten bauelementfernen Abschnitt zur insbesondere direkten Umströmung zuzuführen.
25. Leiterplatte nach Aspekt 23 oder 24, dessen Kühlfluidstromkörper an einer dem freigelegten bauelementfernen Abschnitt zugewandten Fläche Kühlkanäle aufweist.
26. Leiterplatte nach einem der Aspekte 21 bis 25, mit einem in den Leiterplattenschichtaufbau eingesetzten und mit diesem verpressten leistungselektronischen Modul nach einem der Aspekte 10 bis 21, wobei das Anschlusselement mit einer leitenden Schicht des Leiterplattenschichtaufbaus, die im wesentlichen bündig mit der Metallunterlage abschließt, elektrisch verbunden ist, bspw. durch Fügen oder mittels Innenlagenverbindungen.
27. Leiterplatte mit einem Leiterplattenschichtaufbau und einem in den Leiterplattenschichtaufbau eingesetzten und mit diesem verpressten Modulblock nach einem der Aspekte 18 bis 20.
28. Leiterplatte nach Aspekt 27, wobei das Anschlusselement des Leiterplattenbauelements mit einer leitenden Schicht des Leiterplattenschichtaufbaus, die im wesentlichen bündig mit der Metallunterlage abschließt, elektrisch verbunden ist, bspw. durch Fügen oder mittels Innenlagenverbindungen.
29. Leiterplatte nach Aspekt 27 oder 28, mit einem Kühlfluidstromkörper, der einem bauelementfernen Abschnitt des Trägersubstrats zugeordnet an einer Außenfläche der Leiterplatte angeordnet ist.
30. Leiterplatte nach Aspekt 29, bei der ein bauelementferner Abschnitt des Trägersubstrats zur Beaufschlagung mit Kühlfluid freigelegt ist, insbesondere durch Tiefenfräsen.
31. Leiterplatte nach Aspekt 30, wobei der Kühlfluidstromkörper eine Kühlfluidführungsstruktur aufweist, die dazu ausgebildet ist, Kühlfluid dem freigelegten bauelementfernen Abschnitt zur insbesondere direkten Umströmung zuzuführen.
32. Leiterplatte nach Aspekt 30 oder 31, dessen Kühlfluidstromkörper an einer dem freigelegten bauelementfernen Abschnitt zugewandten Fläche Kühlkanäle aufweist.
33. Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls, insbesondere gemäß Aspekt 9 oder 10, mit den folgenden Schritten:
- - Bereitstellen eines Ausgangs-Trägersubstrats, das eine isolierende Innenlage, eine darunter ausgebildete Metallunterlage und eine darauf ausgebildete Metalloberlage umfasst,
- - Ausbilden von einem oder mehreren Löchern durch die Metallunterlage und die isolierende Innenlage,
- - Füllen der Löcher mit elektrisch leitendem Material zur Bildung von Durchkontaktierungen,
- - Ätzen der Metallunterlage zur Ausbildung einer potentialgetrennten Anschlusslage.
34. Verfahren nach Aspekt 33, mit dem zusätzlichen Schritt des chemischen Metallabscheidens in den Löchern vor dem Schritt des Füllens.
35. Verfahren nach Aspekt 33 oder 34, mit dem zusätzlichen Schritt des Aufbringens weiteren Metalls auf die Metalloberlage und/oder die Metallunterlage.
36. Verfahren nach Aspekt 35, bei dem vor dem Schritt des Aufbringens weiteren Metalls ein definierter Bereich der Metalloberlage mit Fotoresistmaterial belegt wird, um durch das Aufbringen von Metall eine Vertiefung zur Aufnahme eines leistungselektronischen Bauelements auszubilden, gefolgt von dem Schritt des Entfernen des Fotoresistmaterials.
37. Verfahren nach einem der Aspekte 33 bis 35, mit dem zusätzlichen Schritt des Aufbringens eines Rahmens auf die Metalloberlage mit einer Ausnehmung zur Aufnahme eines leistungselektronischen Bauelements, bspw. mittels Fügen, insb. Sintern.
38. Verfahren nach Aspekt 36 oder 37, mit dem zusätzlichen Schritt des Einbringens eines leistungselektronischen Bauelements in die Vertiefung in der Metalloberlage bzw. die Ausnehmung in dem Rahmen.
39. Verfahren nach Aspekt 38, mit dem zusätzlichen Schritt des Verkapselns des leistungselektronischen Moduls mittels Spritzgießen/Transfermolden zu einem monolithischen Block zur Bildung eines zur Integration in eine Leiterplatte geeigneten leistungselektronischen Modulblocks.

Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung stark schematisch und nicht maßstabsgetreu dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnung

1 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einer Leiterplatte mit einem in der Leiterplatte verpressten und ankontaktierten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Modul gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 zeigt die seitliche Schnittdarstellung der 1 mit freigelegter Unterseite des Trägersubstrats.
3 zeigt die seitliche Schnittdarstellung der 2 mit an der Leiterplatte angebrachtem Kühlfluidstromkörper.
4 zeigt die seitliche Schnittdarstellung der 3 mit einer ersten Dichtungsvariante.
5 zeigt die seitliche Schnittdarstellung der 3 mit einer zweiten Dichtungsvariante.
6 zeigt die seitliche Schnittdarstellung der 3 mit an dem Trägersubstrat ausgebildeten Kühlstrukturen.
7 zeigt die seitliche Schnittdarstellung der 3 mit einem in der Leiterplatte verpressten und ankontaktierten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Modul gemäß einer zweiten Ausführungsform.
8 zeigt die seitliche Schnittdarstellung der 7 mit an dem Trägersubstrat ausgebildeten Kühlstrukturen.
9 zeigt die seitliche Schnittdarstellung der 7 mit einer weiteren Variante von an dem Trägersubstrat ausgebildeten Kühlstrukturen.
10 zeigt die seitliche Schnittdarstellung der 7 mit noch einer weiteren Variante von an dem Trägersubstrat ausgebildeten Kühlstrukturen.
11 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Moduls.
12 zeigt die Darstellung der 11 in Draufsicht.
13 zeigt die Darstellung der 12 in einer Ausgestaltungsvariante.
14 zeigt die Darstellung der 11 mit gebogenem Anschlusselement.
15 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung eine Ausführungsvariante des leistungselektronischen Moduls der 14.
16 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einer Leiterplatte mit einem in der Leiterplatte verpressten und ankontaktierten erfindungsgemäßen leistungselektronischen Modul gemäß der Darstellung der 14.
17 zeigt die Darstellung der 16 mit alternativer Anschlussgestaltung des Anschlusselements.
18 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung einen Ausschnitt aus einer Leiterplatte mit einem in der Leiterplatte verpressten, ankontaktierten und teils freigelegtem erfindungsgemäßen leistungselektronischen Modul gemäß der Darstellung der 15.
19 zeigt eine Ausgestaltungsvariante der Darstellung der 16.
20 zeigt eine Ausgestaltungsvariante der Darstellung der 18.
21 zeigt das erfindungsgemäße leistungselektronische Modul der 14 als eingekapseltes Modul (Modulblock).
22 zeigt analog zu der Darstellung der 21 das das erfindungsgemäße leistungselektronische Modul der 14 als eingekapseltes Doppelmodul.
23 zeigt eine Ausgestaltungsvariante der Darstellung der 22.
24 bis 29 zeigen in seitlicher Schnittdarstellung Abfolgen bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen leistungselektronischen Moduls mit einem Aufbau, der demjenigen der in 15 dargestellten Ausführungsvariante ähnlich ist.

Ausführliche Beschreibung
Gleiche und ähnliche in den einzelnen Figuren dargestellte Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt in seitlicher Schnittdarstellung eine Leiterplatte 50 mit einem an sich bekannten Leiterplattenschichtaufbau L1. Die Leiterplatte der 1 zeigt einen exemplarischen Schichtaufbau, wie er im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Die Erfindung ist darüber hinaus jedoch für alle möglichen Arten und Gestaltungen von Leiterplatten anwendbar. Insbesondere eignet sich die Erfindung aufgrund der effizienten Wärmeabfuhr zur Verwendung von Stromrichtern mit Leiterplatten mit Hochstromanwendungen. Mögliche Leiterplattenaufbauten sind bspw. in der EP 2 524 394 B1 oder der EP 2 973 687 B1 beschrieben.
Der Leiterplattenschichtaufbau L1 der Leiterplatte 50 der 1 umfasst beispielhaft wie dargestellt eine nichtleitende Kernschicht 52 mit beidseitig aufgebrachten Kupferschichten 54, 55. In einer Ausnehmung 56 ist ein erfindungsgemäßes leistungselektronisches Modul 10 mit einem in einer darin ausgebildeten Vertiefung 14 angeordneten leistungselektronischen Bauelement (Chip, MOSFET o.dgl.) 16 eingebettet. In eingebettetem Zustand schließt eine obere Kupferschicht 54 nach oben im wesentlichen bündig mit dem leistungselektronischen Bauelement 16 und der Oberseite des Substrats ab und eine untere Kupferschicht 55 schließt nach unten im wesentlichen bündig mit einer bauelementfernen Unterseite des leistungselektronischen Moduls 10 ab
Spalte und Zwischenräume sind in an sich bekannter Art und Weise durch während des Laminierprozesses verflüssigtes und anschließend wieder erstarrtes Prepreg-Material 58 ausgefüllt. Auf einer Oberseite des Schichtaufbaus L1 sind Leiterbahnenschichten 66 vorgesehen, deren Leiterbahnen mittels Vias (µ-vias) 68 in an sich bekannter Art und Weise ankontaktiert sind. Zwecks Erzielung eines symmetrischen Aufbaus sind auf der Unterseite des Schichtaufbaus L1 entsprechende Leiterbahnen 66` ohne Ankontaktierung ausgebildet. Die Leiterbahnen 66, 66` mit dazwischen liegenden nichtleitenden Schichten und die An- bzw. Durchkontaktierungen 68 können mittels an sich bekannter Techniken nach dem Einbringen und Verpressen des leistungselektronischen Moduls 10 in den Leiterplattenschichtaufbau L1 ausgebildet werden.
2 zeigt die Darstellung der 1 mit einer freigelegten Unterseite des leistungselektronischen Moduls 10, derart dass ein bauelementferner Abschnitt 18 des Trägersubstrats 12 freigelegt ist. Das Freilegen kann bspw. mittels Tiefenfräsen oder einer anderen, dem Fachmann bekannten Technik erfolgen.
3 zeigt die Darstellung der 2 mit einem an einer Unterseite 51 der Leiterplatte 50 angesetzten Kühlfluidstromkörper 60. Der Kühlfluidstromkörper 60 ist dem freigelegten bauelementfernen Abschnitt 18 des Trägersubstrats 12 zugeordnet. Der Kühlfluidstromkörper 60 weist eine Kühlfluidführungsstruktur 62 auf, die derart ausgestaltet ist, dass sie mit dem freigelegten bauelementfernen Abschnitt 18 einen Durchströmungskanal 64 bildet. Durch den Durchströmungskanal 64 geleitetes Kühlfluid umströmt somit den freigelegten bauelementfernen Abschnitt 18 des Trägersubstrats 12 und gewährleistet eine effiziente Wärmeableitung. Erfindungsgemäß ist somit ein direkter Kontakt des als Kühlkörper fungierenden Trägersubstrats mit dem zugeführten Kühlfluid gegeben.
Die Darstellung der 3 (und auch der weiteren 4 bis 8) zeigen lediglich einen schematischen Ausschnitt des Kühlfluidstromkörpers 60 mit den für die Verwendung mit der vorliegenden Erfindung relevanten Merkmalen.
Im Sinne der Erfindung handelt es sich bei dem Kühlfluidstromkörper 60 um einen mit der Leiterplatte in geeigneter Weise verbindbaren Körper, der dazu ausgebildet ist, Kühlfluid dem freigelegten bauelementfernen Abschnitt 18 zur insbesondere direkten Umströmung zuzuführen. Dabei kann es sich - wie schematisch in den Figuren angedeutet - um eine Kanalstruktur handeln, die an einer dem leistungselektronischen Modul 10 zugeordneten Stelle im Sinne der eingezeichneten Pfeile 62 Kühlfluid aus dem Innern des Kühlfluidstromkörpers 60 nach außen zum Umströmungskontakt mit dem leistungselektronischen Modul 10 leitet und nach erfolgter Umströmung wieder zurück in das Innere des Kühlfluidstromkörpers 60 leitet. Zu diesem Zweck kann der Kühlfluidstromkörper 60 auf seiner dem leistungselektronischen Modul 10 zugewandten Strömungsaußenfläche geeignete Kühlfluidleitungskanäle (Kühlkanäle) aufweisen, die eine gleichmäßige Anströmung des Trägersubstrat gewährleisten.
Die Abdichtung des Kühlfluidstromkörpers 60 gegenüber der Leiterplatte 50 kann mittels eines geeigneten Dichtelements wie einem O-Ring 70 (vgl. 4) oder einer Flächendichtung 70` bzw. Klebedichtung (vgl. 5) erfolgen. Im Falle der Verwendung eines O-Rings können in der Unterseite 51 der Leiterplatte 50 und/oder in dem Kühlfluidstromkörper 60 entsprechende Nuten zur Aufnahme des O-Rings vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Die Kühlung kann als Flüssigkeitskühlung (flüssiges Kühlfluid) oder auch als Luft- bzw. Gaskühlung (gasförmiges Kühlfluid, insbesondere Luft) ausgestaltet sein. Flüssige Kühlfluid der können bspw. Wasser, Öle, Alkohole o.dgl. oder ggf. auch Mischungen davon vorgesehen werden. Bei Luft als Kühlfluid wird der Kühlfluidstromkörper als Lüfter bzw. Gebläse ausgebildet.
Das Trägersubstrat 12 des leistungselektronischen Moduls 10 kann erfindungsgemäß an seinem bauelementfernen Abschnitt 18 mit oberflächenvergrößernden bzw. wärmeableitenden Strukturen und/oder kühlfluidleitenden Strukturen ausgebildet sein. 6 zeigt exemplarisch eine Ausgestaltung eines bauelementfernen Abschnitts 18 mit Kühlrippen 20, die von dem durch den Kühlfluidstromkörper 60 zugeleiteten Kühlfluid umströmt werden. Die Kühlrippen 20 können bspw. durch Fräsen in dem bauelementfernen Abschnitt 18 ausgebildet werden. Andere mögliche Strukturen umfassen bspw. Kühlstifte oder Kühlnoppen. Alternativ können die oberflächenvergrößernden bzw. wärmeableitenden Strukturen auch als zu den Kühlkanälen des Kühlfluidstromkörpers 60 komplementär ausgebildete Kanäle ausgeführt sein.
In den Darstellungen der 1 bis 6 ist das Trägersubstrat 12 als bspw. monolithische Einheit aus leitendem Material, wie insbesondere Kupfer, ausgebildet. Falls es sich bei dem leistungselektronischen Bauelement 16 bspw. um einen Feldeffekttransistor (MOSFET o.dgl.) handelt, hat dies zur Folge, dass das Drain-Potential über das leitende Material des Trägersubstrats 12 an dem Kühlfluid und dem Kühlfluidstromkörper anliegen würde. Um dies zu vermeiden, kann das Trägersubstrat 12 alternativ mit einer inneren Isolationslage ausgebildet sein, bspw. mit einer Keramiklage. Eine derartige Variante ist in den 7 bis 10 dargestellt, in denen das Trägersubstrat als Metall-Keramik-Substrat 12 ausgebildet ist.
7 zeigt eine der 3 analoge Darstellung, bei der das Trägersubstrat 12 einen Keramikträger 22 mit einer Metalloberlage 24 und einer Metallunterlage 26 umfasst. Bei den Metalllagen 24, 26 handelt es sich bspw. und insbesondere um Kupferlagen. Derartige Metall-Keramik-Substrate sind bspw. als sogenannte DCB-Substrate (DCB: Direct Copper Bond) erhältlich. Als Keramikmaterial kommen bspw. Al₂O₃, AlN (Aluminiumnitrid) oder andere dem Fachmann geläufige Verbindungen in Frage. Schichtdicken der Keramik belaufen sich typischerweise auf ca. 100 bis ca. 1.000 µm, vorzugsweise auf ca. 150 bis ca. 400 µm , die Dicken der Metalllagen liegen typischerweise ebenfalls zwischen ca. 50 und ca. 1.000 µm, vorzugsweise zwischen ca. 200 und ca. 600 um. Die Schichtdicken können bspw. in einem Verhältnis von 2:1:2 (von oben nach unten) gewählt werden. Mit einer derartigen Ausgestaltung ist eine elektrische Isolation gegen den Kühlfluidkreislauf gegeben.
8 zeigt eine der 6 analoge Darstellung mit in dem bauelementfernen Abschnitt 18 des Metall-Keramik-Substrats 12 ausgebildeten Kühlrippen 20. Die 9 und 10 zeigen Varianten, bei denen nicht Kühlrippen 20 direkt in die Metallunterlage 26 eingebracht sind, sondern ein separat ausgebildeter und dem Trägersubstrat zugeordneter Kühlstrukturkörper 21 vorgesehen ist. Der Kühlstrukturkörper 21 kann insbesondere durch Fügen, wie Sintern o.dgl., auf die Metallunterlage 26 - genauer deren bauelementferne Außenfläche 19 - aufgebracht sein (vgl. auch nachfolgende Absätze).
In den Ausführungsbeispielen der 9 und 10 ist der Kühlstrukturkörper ein Kühlrippenkörper 21, der mit dem Trägersubstrat, konkret der Metallunterlage 26 des Trägersubstrats, verbunden wird. Hierzu kann wie in dem Beispiel der 9 bspw. in die Metallunterlage 26 eine Ausnehmung 28 eingebracht werden (durch Fräsen o.dgl.), in die der Kühlrippenkörper 21 eingebracht wird, bspw. mittels Sintern, Löten o.dgl. (vgl. Sinterschicht 29).
In dem Ausführungsbeispiel der 10 ist der Kühlstrukturkörper direkt auf die freigelegte Metallunterlage 26 aufgebracht (wiederum durch Sintern, Löten o.dgl.), ohne dass zuvor eine Ausnehmung wie in dem Ausführungsbeispiel der 9 eingebracht worden wäre.
In jedem Falle kann im Zuge des Freilegens des bauelementfernen Abschnitts 18 aufgrund erforderlicher Toleranzen ein teil- oder vollflächiges Abtragen der Metalloberfläche der Metallunterlage 26 erfolgen. Dieses Abtragen kann sich auch in X- und/oder Y-Richtung über die Fläche der Metallunterlage hinaus erstrecken, um die Montage zu erleichtern. Das Aufbringen des Kühlstrukturkörpers bzw. Kühlrippenkörpers 21 kann bspw. im Wege der Oberflächenmontage erfolgen (SMT: Surface-mount technology). Zur besseren Wärmespreizung kann eine Grundfläche des Kühlstrukturkörpers größer als diejenige der bauelementfernen Außenfläche 19 der Metallunterlage 26 gewählt werden. Hat das Trägersubstrat bspw. eine Grundfläche von 11 mm x 11 mm könnte die Grundfläche des Kühlstrukturkörpers bspw. mit 15 mm x 15 mm gewählt werden.
In den Ausführungsbeispielen der 9 und 10 kann analog zu dem voranstehend Beschriebenen ein (hier nicht dargestellter) Kühlfluidstromkörper 60 aufgebracht werden. Bei der Gestaltung des Kühlfluidstromkörpers ist der Überstand des aufgebrachten Kühlrippenkörpers 21 zu berücksichtigen gegenüber der bspw. in 8 dargestellten vertieften Kühlrippenstruktur.
Werden mehrere leistungselektronische Module 12 in eine Leiterplatte 50 integriert, kann das Freilegen der Metalloberfläche der Metallunterlage 26 eines jeweiligen Moduls dabei einzeln für jedes der vorhandenen Module 12 erfolgen und jedes Substrat mit einer eigenen Kühlableitungsstruktur wie offenbart versehen werden. Die Freilegung der Oberflächen kann jedoch auch für mehrere benachbarte Module gruppenweise erfolgen. Mehrere Module können dann an eine gemeinsame Kühlableitungsstruktur wie offenbart angeschlossen werden.
Der Kühlstrukturkörper bzw. Kühlrippenkörper kann bspw. mittels Strangpressen hergestellt werden. Es versteht sich von selbst, dass die Ausgestaltung des Kühlrippenkörpers nicht auf Kühlrippen beschränkt ist, sondern dass dieser alternativ alle anderen dem Fachmann bekannten möglichen oberflächenvergrößernden bzw. wärmeableitenden Strukturen aufweisen kann. Die beschriebene Variante mit einem separaten Kühlstrukturkörper kann selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 5 verwendeten Trägersubstrat realisiert werden.
Wie beschrieben umfasst die Erfindung somit die beiden Varianten, wonach das leistungselektronische Modul entweder elektrisch nicht isolierend (mithin aus Metall, insbesondere Kupfer) oder elektrisch isolierendend (mit einer inneren isolierenden Lage wie insbesondere Keramik) sein kann. Bei der Verwendung einer isolierenden Lage ist wie beansprucht darauf zu achten, dass diese eine hinreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Einerseits können bspw. Keramiken verwendet werden, die typischerweise Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 18 bis 190 W/mK aufweisen. Andererseits können auch organische Materialien zur elektrischen Isolierung verwendet werden, die regelmäßig eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit, typischerweise im Bereich von 0,2 bis 10 W/mK, aufweisen. Ausschlaggebend wird hierbei bei der Wahl der Dicke der isolierenden Lage eine sich dem Fachmann erschließende Abwägung zwischen den elektrischen Isolationseigenschaften und der Wärmeleitfähigkeit sein.
In beiden Fällen besteht der bauelementferne Abschnitt des Trägersubstrats aus Metall/Kupfer. Um eine Korrosion des mit dem Kühlfluid in Kontakt kommenden Metalls und somit eine Kontamination des Kühlfluids und eine Korrosion im Kühlsystem zu verhindern bzw. zu reduzieren, kann die mit Kühlfluid in Kontakt kommende Fläche des Trägersubstrat eine (in den Figuren nicht dargestellte) geeignete Schutzbeschichtung, d.h. eine kühlfluidkompatible Beschichtung, aufweisen. Eine derartige Beschichtung zeichnet sich durch ein hohes Maß an Porendichtheit aus. Ein mögliches Beispiel ist eine Plattierung mit Nickel, bspw. mit einer Schichtdicke von ca. 5 bis 50 um. Die Schicht sollte möglichst dünn sein, um die Wärmeleitfähigkeit nicht unnötig zu beeinträchtigen. Bei Verwendung von Öl als Kühlfluid kann ggf. auf eine Beschichtung verzichtet werden.
Wird wie voranstehend beschrieben eine isolierende Innenlage in dem Trägersubstrat verwendet, dann liegt das Drain-Potential nicht mehr an dem bauelementfernen Abschnitt des Trägersubstrats an, was wiederum zur Folge hat, dass eine Drain-Kontaktierung in einem unteren, d.h. bauelementfernen Niveau des Schichtaufbaus der Leiterplatte nicht mehr ohne weiteres realisierbar ist. Um dies trotzdem zu ermöglichen werden des weiteren erfindungsgemäß die in den 11 bis 23 dargestellten Ausführungsformen vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß wird in den Fällen eines Trägersubstrats 12 mit einem Mehrschichtaufbau mit isolierender Innenlage 22 ein sich außerhalb des Mehrschichtaufbaus im wesentlichen senkrecht zu den Schichten des Mehrschichtaufbaus erstreckendes Anschlusselement 34 zur elektrischen Anbindung des leistungselektronischen Bauelements 16 bzw. dessen Drain-Kontakts vorgesehen, wie dies in den 11 bis 23 veranschaulicht ist.
Das Anschlusselement 34 kann sich über eine Höhe des Trägersubstrats 12 bis zu der Metallunterlage 26 erstrecken und insbesondere bündig (im Hinblick auf deren Unterseite bzw. Außenfläche 27 des bauelementfernen Abschnitts 18) mit dieser abschließen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist hierfür erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf oder in der Metalloberlage 24 ein Rahmen 30 zur Aufnahme des leistungselektronischen Bauelements 16 vorgesehen ist. Dieser Rahmen 30 ist auch in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 10 vorgesehen und dort einteilig mit dem Metall des Trägersubstrats bzw. der Metalloberlage 24 ausgebildet. In den nun zu besprechenden Ausführungsbeispielen der 11 bis 23 bietet es sich an, diesen Rahmen - wie dargestellt - als separates Element auszubilden und auf der Metalloberlage 24 aufzubringen, bspw. durch Sintern oder eine andere dem Fachmann geläufige Maßnahme. Aus den Darstellungen der Figuren ist ersichtlich, dass eine Dicke des Rahmens 30 bzw. der Vertiefung 14 einer Dicke bzw. Höhe des Bauelements 12 (einschließlich der Dicke der Verbindungsschicht) entspricht, wie dies dem Fachmann bekannt ist. Die Verbindungs- bzw. Fügeschicht aus dem Sinterprozess, bspw. aus Silber, hat einen Dickenanteil von ca. 20 bis 30 µm, der bei der Gestaltung der Rahmendicke vom Fachmann berücksichtigt wird.
Die erste Ausführungsform ist zunächst in den 10 bis 14 veranschaulicht. Das Trägersubstrat 12 weist wiederum einen Mehrschichtaufbau mit dem Keramikträger 22 und der dem leistungselektronischen Bauelement 16 zugeordneten Metalloberlage 24 und der bauelementfernen Metallunterlage 26 auf. Zur Bildung der Vertiefung 14 für das Bauelement 16 wird der Rahmen 30 auf der Metalloberlage 24 aufgebracht (wie bereits erwähnt bspw. durch Sintern angedeutet durch die eingezeichnete Sinterschicht 31).
Erfindungsgemäß umfasst der Rahmen 30 einen über das Trägersubstrat 12 hinausragenden Abschnitt 32 (vgl. die Seitenansicht der 11 und die korrespondierende Draufsicht der 12). Der Abschnitt 32 erstreckt sich insbesondere in einer Richtung über den Grundriss des eigentlichen Trägersubstrats 12 hinaus. Der Abschnitt 32 erstreckt sich in der Richtung der Seite über das Trägersubstrat 12, an der das Anschlusselement 34 auszubilden ist. Wie aus der schematischen seitlichen Schnittdarstellung der 11 ersichtlich ist, ragen auch die Kanten des Keramikträgers 22 etwas über die Kanten der Metalllagen 24, 26 hinaus, was herstellungsbedingt aus dem durchgeführten Ätzprozess resultiert.
Erfindungsgemäß ist der über das Trägersubstrat 12 hinausragende Abschnitt 32 biegbar ausgestaltet. Insbesondere kann er derart gebogen werden, dass er sich über eine Höhe des Trägersubstrats 12 bis zu der Metallunterlage 26 erstreckt (vgl. 14). Das Biegen des hinausragenden Abschnitts 32 kann bspw. nach dem Aufsintern des Rahmens 30 auf die Metalloberlage 24 erfolgen (Abfolge 11 => 14). Alternativ kann der Rahmen 30 mit dem hinausragenden Abschnitt 32 vorgebogen sein und bspw. als Stanzbiegeteil hergestellt werden und läge dann bereits vor dem Sintervorgang gebogen vor, würde also in gebogenem Zustand aufgebracht bzw. aufgesintert o.dgl. werden (in diesem Falle läge keine Zwischenstruktur gemäß 11 vor).
Im gebogenen Zustand weist das Anschlusselement 34 im wesentlichen eine S-Form im Querschnitt auf. Der hinausragende Abschnitt 32 erstreckt sich von dem weiterhin horizontal ausgerichteten Rahmen 30 vertikal nach unten, d.h. in bauelementferner Richtung, wo er in einen kurzen horizontal abgebogenen Kontaktabschnitt 32` mündet.
Das Trägersubstrat 12 der 14 wird anschließend in an sich bekannter Weise in einen Leiterplattenschichtaufbau L1 eine Leiterplatte 50 eingebracht (vgl. bspw. DE 10 2018 207 955 A1 ) und mit diesem verpresst. Um während des Verpressens einen ausreichenden Harzfluss des verflüssigten Harzes in alle zu verfüllenden Bereiche zu gewährleisten, können in dem hinausragenden Abschnitt 32 des Rahmens 30 ein oder mehrere Durchbrüche 33 vorgesehen sein. Die Durchbrüche 33 sind derart angeordnet, dass sie beim Verpressen den Harzfluss in alle zu verfüllenden Bereiche ermöglichen. Bspw. können die Durchbrüche 33 wie in 13 veranschaulicht derart angeordnet sein, dass sie nach dem Biegen des Abschnitts 32 in einem oberen vertikalen Biegebereich zu liegen kommen. Das eingebettete und verpresste Trägersubstrat ist bspw. in den 16 und 17 veranschaulicht. Die beschriebenen Durchbrüche können auch bei einem wie nachstehend noch zu beschreibenden Verkapseln mit einer Formmasse dienlich sein, um zu gewährleisten, dass die Formmasse den Hohlraum vollständig ausfüllt.
Die 16 und 17 veranschaulichen darüber hinaus mögliche Ankontaktierungen des Anschlusselements 34 in der Leiterplatte 50.
Gemäß einer in 16 dargestellten ersten Möglichkeit kann der kurze horizontale Kontaktabschnitt 32` über Vias 69 (vergrabene Ankontaktierungen oder metallisierte Sacklöcher (buried vias/blind vias)) über eine der Leiterbahnenschichten 66` mit der unteren Kupferschicht 55 verbunden werden.
Alternativ kann der kurze horizontale Kontaktabschnitt 32' wie in 17 dargestellt mit der unteren Kupferschicht 55 direkt verbunden werden. Dieses direkte Verbinden kann bspw. mittels Fügen erfolgen. „Fügen“ ist in der Fertigungstechnik nach DIN 8580 eine (die vierte) der sechs Fertigungshauptgruppen, mit denen zwei oder mehr feste Körper mit geometrisch bestimmter Gestalt dauerhaft verbunden (gefügt) werden. Gelegentlich kommt dabei zusätzlich noch sogenannter „formloser Stoff“ zum Einsatz, dessen Form nicht definiert ist. Die einzelnen Verfahrensgruppen werden in der DIN 8593 näher bestimmt. Zu den wichtigsten zählt insbesondere das Schweißen sowie das Löten und Kleben. Im vorliegenden Falle kommen als mögliche Fügeprozesse insbesondere Sintern, Löten, Diffusionslöten o.dgl. in Frage, insbesondere bietet sich als „Fügen“ Laserschweißen, Silber-Sintern, Ultraschallschweißen u.dgl. an.
Damit wird erfindungsgemäß das Drain-Potential DC+ von der Metalloberlage 24 und dem Rahmen 30 über das Anschlusselement 34 mit der unteren Kupferschicht 54 der Leiterplatte verbunden, während die Metallunterlage 26 des Trägersubstrats massefrei ist (Floating Ground).
Das Trägersubstrat der Ausführungsform der 14 kann bspw. eine Gesamthöhe von ca. 1 bis 1,3 mm aufweisen. Die Dicke des Bauelements 16 beträgt typischerweise 50 bis 350 µm und die Tiefe der Vertiefung 14 bzw. die Dicke des Rahmens 30 entsprechend 50 bis 350 um. Die Dicken der Metalllagen 24, 26 können typischerweise zwischen 50 und 800 µm liegen und bspw. um die 300 µm betragen, und die Dicke des Keramikträgers 22 kann bspw. 250 bis 700 µm betragen. Die Dicke der Sinterschicht 31 beträgt bspw. 20 bis 40 µm. Die horizontale Länge des kurzen horizontalen Kontaktabschnitts 32' beträgt bspw. 0,3 bis 1,5 mm.
Unter Bezugnahme auf 15 wird nun eine weitere Ausführungsform des Anschlusselements 34 beschrieben.
Bei dem Trägersubstrat 12 der Ausführungsform der 15 ragen zusätzlich die Metalloberlage 24 und der Keramikträger 22 zusammen mit dem Rahmen 30 über den Grundriss des Trägersubstrats 12 hinaus. In dem hinausragenden Abschnitt des Keramikträgers 22 sind Durchkontaktierungen 23 vorgesehen, über die der hinausragende Abschnitt der Metalloberlage 24 mit einer Anschlusslage 36 verbunden ist. Die Herstellung der Löcher für die Durchkontaktierungen 23 kann bspw. mittels Laserbohren erfolgen. Die Löcher werden dann in dem Fachmann an sich bekannter Art und Weise metallisiert, bspw. mittels eines chemischen (Kupfer-)Prozesses, und galvanisch gefüllt. Bei der Ausführungsform der 15 kann auch anstelle des beschriebenen Aufsinterns des Rahmens analog zu dem Ausführungsbeispielen der 7 bis 10 von oben eine Kavität/Vertiefung in das Substrat 12 gefräst werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der letztgenannten Ausführungsvariante wird unter Bezugnahme auf die Schnittdarstellungen der 24 bis 29 beschrieben.
Zunächst wird ein Ausgangs-Trägersubstrat 12' bereitgestellt, das eine isolierende Innenlage 22 aufweist, auf deren Unterseite eine Metallunterlage 26 und auf deren Oberseite eine Metalloberlage 24 ausgebildet sind. Bei der isolierenden Innenlage 22 kann es sich insbesondere - wie voranstehend bereits ausgeführt - um einen Keramikträger handeln. Bei den Metalllagen kann es sich insbesondere und typischerweise um Kupfer handeln.
In einem folgenden Schritt (25) werden ein oder mehrere Löcher 23' durch die Metallunterlage 26 und die Innenlage 22 bis zu der Metalloberlage 24 eingebracht. Die Löcher 23' werden bspw. mittels eines Lasers in an sich bekannter Art und Weise ausgebildet (Laserbohren).
Die derart eingebrachten Löcher 23` werden ebenfalls in an sich bekannter Art und Weise mit elektrisch leitendem Material, insbesondere Kupfer, gefüllt, um Durchkontaktierungen 23 von der Metallunterlage 26 zu der Metalloberlage 24 auszubilden (26). Hierzu wird bspw. zunächst Metall bzw. Kupfer chemisch aufgebracht (chemischer Cu-Prozess), um anschließend weiteres Kupfer bspw. galvanische aufzubringen bzw. aufzuplattieren. In diesem Zuge wird auch die Dicke der Metalllagen 24, 26 erhöht.
Wie dies ebenfalls in 26 dargestellt ist, kann vor dem Schritt des Aufbringens bzw. Aufplattierens weiteren Kupfers auf einen definierten Bereich der Metalloberlage 24 Fotoresistmaterial 40 aufgetragen werden, um zu verhindern, dass an dieser Stelle Kupfer abgeschieden wird, so dass an dieser Stelle, d.h. dem definierten Bereich, eine Vertiefung 14 zur späteren Aufnahme eines leistungselektronischen Bauelements 16 ausgebildet wird.
27 zeigt das Metall-Keramik-Substrat 12' nach Entfernen des Fotoresistmaterials 40 (bspw. durch Fotoresiststrippen) mit der in der Metalloberlage 24 ausgebildeten Vertiefung 14 und den Durchkontaktierungen 23. Die früheren Löcher 23` sind lediglich dem Verständnis halber noch mit schwarzen Linien eingezeichnet. Dem Aufbringen des Fotoresistmaterials schließen sich die dem Fachmann bekannten Schritte des Belichtens, Entwickelns und Ätzen der Strukturen an.
Größe und Tiefe der Vertiefung 14 ist so gewählt, dass diese zur Aufnahme eines leistungselektronischen Bauelements 16 einschließlich Sinterschicht 31 geeignet ist, insbesondere derart, dass wie anderweitig beschrieben die Tiefe bzw. Dicke der Vertiefung 14 der Dicke des leistungselektronischen Bauelements 16 zzgl. der Sinterschicht 31 entspricht, um einen bündigen Abschluss an der Außenfläche zu erzielen (29).
Alternativ kann wie voranstehend beschrieben und in der 15 dargestellt die Vertiefung zur Aufnahme des Bauelements 16 auch durch Aufbringen eines Rahmens 30 realisiert werden. Weiter alternativ kann die Vertiefung durch Tiefenfräsen in die Metalloberlage 24 realisiert werden.
Nach dem Strippen des Fotoresistmaterials 40 kann sich noch ein Strukturierungsprozess anschließen, durch den rundum etwas Kupfer abgetragen wird, wodurch wie in 28 ersichtlich und voranstehend bereits in Zusammenhang mit der 11 beschrieben die Kanten der Innenlage 22 seitlich etwas über die Kanten der Metalllagen 24, 26 hinausragen können (links und rechts in der Darstellung der 28). Dieser Überstand erleichtert das Vereinzeln der Module aus einem Array von Modulen; er entsteht nicht, wenn das Modul mit einem Trennprozess z.B. Sägen vereinzelt wird, bei dem die Trennung durch den Schichtverbund Cu-Isolator-Cu ohne vorausgegangenen Ätzprozess des Kupfers erfolgt. In der Draufsichtdarstellung der 12 wurde auf die Wiedergabe dieses Überstands der Einfachheit halber verzichtet.
Zur erfindungsgemäßen Ausbildung einer potentialgetrennten Anschlusslage 36 wird des weiteren ein Spalt bzw. eine Potentialtrennung 42 in die Metallunterlage 26 eingebracht, bspw. mittels Ätzen (28), vorzugsweise gleichzeitig mit dem voranstehend beschriebenen Strukturierungsprozess. Dieser Spalt 42 trennt einen als Anschlusslage 36 vorgesehenen Bereich der Metallunterlage 26 von dieser ab, so dass zwei potentialgetrennte untere Kupferlagen vorliegen. Die Anschlusslage 36 kann erfindungsgemäß über die Durchkontaktierungen 23 und die Metalloberlage 24 mit einem Drain-Anschluss des leistungselektronischen Bauelements 16 auf DC+ verbunden werden, während die übrige Metallunterlage 26 massefrei (Floating Ground) ist.
29 schließlich zeigt das Modul 12 nach der Bestückung mit dem Bauelement 16.
Das Trägersubstrat 12 der 15 wird wie voranstehend im Zusammenhang mit der Ausführungsform der 14 in einen Leiterplattenschichtaufbau L1 eingebettet und mit diesem verpresst sowie elektrisch ankontaktiert, bspw. mittels Leiterbahnen 66 und Vias 68 (vgl. 18). Die elektrische Verbindung des Anschlusselements 34 über die Anschlusslage 36 mit der unteren Kupferschicht 55 der Leiterplatte 50 kann analog zu der unter Bezugnahme auf 16 beschriebenen Ankontaktierung über Vias 69 erfolgen.
Die unter Bezugnahme auf die 16 bis 18 beschriebenen Leiterplattenausgestaltungen können durch Freilegen einer Unterseite des Trägersubstrats 12 (das Freilegen ist in der Darstellung der 18 angedeutet, soll selbstverständlich aber auch für die anderen Ausgestaltungen sinngemäß gelten) entsprechend den unter Bezugnahme auf die 3 bis 10 beschriebenen Ausführungsformen mit einem Kühlfluidstromkörper verbunden werden, um eine erfindungsgemäße Umströmung des Trägersubstrat mit Kühlfluid zu erzielen. Selbstverständlich können an der freigelegten Außenfläche 19 der Metallunterlage 26 auch Kühlstrukturen ausgebildet werden bzw. Kühlstrukturen bspw. in Form eines Kühlstrukturkörpers zugeordnet oder angebracht werden, wie dies voranstehend in Zusammenhang mit den 6 und 8 bis 10 bereits beschrieben wurde.
Alternativ kann - wie dies in den 19 und 20 veranschaulicht ist - eine weitere Wärmeabfuhr in an sich bekannter Art und Weise über eine Vielzahl von mit dem bauelementfernen Abschnitt 18 verbundenen Vias 72 (buried vias/blind vias) von unteren Leiterbahnenschichten 66' erfolgen. Eine derartige Struktur wird in ebenfalls an und für sich bekannter Art und Weise in flächigem Kontakt mit einem (nicht dargestellten) externen Kühlkörper verbunden.
Das Trägersubstrat der 14 kann zu Zwecken einer besseren Handhabung und verbesserten Prozessführung in einem Form- bzw. Gießprozess (Mold process, insbesondere Transfer Molding), unter Verwendung einer Formmasse zu einem monolithischen Block 80 verkapselt werden (vgl. 21) .
Die Außenflächen 13, 27 der Oberseite und Unterseite des Trägersubstrats 12 können dabei frei von Formmasse (Moldmasse) 82 bleiben, was durch Verwendung eines sogenannten FAM-Prozesses (FAM: Foil or film assisted molding; folien- bzw. filmunterstütztes Spritzgießen/Transfermolden) erreicht werden kann, wodurch die spätere Ankontaktierung (Vias 68, 69, 72) erleichtert wird. Das FAM-Verfahren ist ein dem Fachmann an sich bekanntes Transfer-Molding-Verfahren, bei dem eine oder zwei Folien in der Form verwendet, die (durch Anlegen eines Vakuums bzw. ausreichenden Unterdrucks) auf die Innenfläche gesaugt werden, bevor das zu verkapselnde Produkt eingelegt wird, gefolgt vom eigentlichen Transfer Molding.
Typische Materialien zum Verkapseln (Formmassen) sind dem Fachmann ebenfalls an sich bekannt und stammen aus den Gruppen der Thermoplaste oder der Duroplaste, insbesondere aus der Gruppe der Formaldehyde, weiter insbesondere Phenoplaste oder Melaminharze, oder der Reaktionsharze, weiter insbesondere Polyester oder Epoxidharze.
22 zeigt analog eine Doppelzelle 80, indem zwei Trägersubstrate 12 in einen Block vergossen sind, wobei die beiden Trägersubstrat mit ihren horizontalen Kontaktabschnitten 32' zueinander weisend derart angeordnet sind, dass die Kontaktabschnitte miteinander in Verbindung stehen und so die Drain-Potentiale der beiden Bauelemente 16 zusammengeschaltet werden. Wie dies in 23 veranschaulicht ist, können die Anschlusselemente 34 mit einer zusätzlichen Biegung zur Bildung eines flexiblen Bereichs für einen mechanischen Toleranzausgleich beim Mold-Prozess versehen sein. Aus einer derartigen zusätzlichen Biegung kann bspw. wie dargestellt eine Doppel-S-Form resultieren. Diese so erzielte Bauform kann bei Parallelschaltung von Zellen wie dargestellt in die Leiterplatte eingebettet werden. Sie kann jedoch auch in einem nachfolgenden Prozess (nicht dargestellt) z.B. durch Sägen, in eine Bauform analog zu der in der 21 dargestellten gebracht werden. Die dargestellte Doppelzelle kann analog als eine Mehrfachzelle (zwei bis beliebige Anzahl) hergestellt werden und nach dem Mold-Prozess in eine beliebige Anzahl von parallel geschalteten Zellen vereinzelt werden (2, 3, 5, 8 etc.).

Claims

Leistungselektronisches Modul (10) zur Integration in eine Leiterplatte (50), mit einem Trägersubstrat (12) und einem in eine dazu vorgesehene Vertiefung (14) in dem Trägersubstrat (12) eingebrachten leistungselektronischen Bauelement (16), wobei das Trägersubstrat (12) einen Mehrschichtaufbau mit einer isolierenden Innenlage (22) mit einer dem leistungselektronischen Bauelement (16) zugeordneten Metalloberlage (24) und einer bauelementfernen Metallunterlage (26) umfasst, wobei das Modul ein sich außerhalb des Mehrschichtaufbaus im wesentlichen senkrecht zu den Schichten des Mehrschichtaufbaus erstreckendes Anschlusselement (34) zur elektrischen Anbindung des leistungselektronischen Bauelements (16) aufweist, das sich über eine Höhe des Trägersubstrats (12) bis zu der Metallunterlage (26) erstreckt und im wesentlichen bündig mit einer Außenfläche (27) der Metallunterlage (26) abschließt.
Leistungselektronisches Modul (10) nach Anspruch 1, bei dem auf oder in der Metalloberlage (24) ein Rahmen (30) zur Aufnahme des leistungselektronischen Bauelements (16) vorgesehen ist, der aus elektrisch leitfähigem Material besteht und zur Bildung eines elektrischen Anschlusselements (34) für das leistungselektronische Bauelement (16) einen über das Trägersubstrat (12) hinausragenden Abschnitt (32) umfasst.
Leistungselektronisches Modul (10) nach Anspruch 2, bei dem der über das Trägersubstrat (12) hinausragende Abschnitt (32) biegbar ausgestaltet ist und insbesondere derart gebogen ist, dass er sich über eine Höhe des Trägersubstrats (12) bis zu der Metallunterlage (26) erstreckt, und weiter insbesondere derart gebogen ist, dass er im wesentlichen bündig mit einer Außenfläche der Metallunterlage (26) abschließt.
Leistungselektronisches Modul (10) nach Anspruch 3, bei dem der gebogene Abschnitt im Querschnitt im wesentlichen eine S-Form oder eine doppelte S-Form aufweist.
Leistungselektronisches Modul (10) nach Anspruch 2, bei dem zusätzlich die Metalloberlage (24) und der Keramikträger (22) zusammen mit dem Rahmen (30) über das Trägersubstrat (12) hinausragen und zur Ausbildung des elektrischen Anschlusselements (34) ein sich durch die Schicht des Keramikträgers (22) hindurch erstreckender Leitungsabschnitt (23, 36) vorgesehen ist.
Leistungselektronisches Modul (10) nach Anspruch 5, dessen Leitungsabschnitt (23, 36) mittels mindestens einer Durchkontaktierung (23) durch den Keramikträger (22) ausgebildet ist.
Leistungselektronisches Modul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Trägersubstrat (12) zumindest in einem Bereich unterhalb des leistungselektronischen Bauelements (16) als Kühlkörper bzw. Entwärmungskörper aus einem oder mehreren Materialien hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist, und/oder bei dem ein bauelementferner Abschnitt (18) des Trägersubstrats (12) zu einem insbesondere direkten Kontakt mit Kühlfluid ausgebildet ist und insbesondere eine kühlfluidkompatible Beschichtung aufweist.
Leistungselektronischer Modulblock (80) zur Integration in eine Leiterplatte (50), der aus einem leistungselektronischen Modul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gebildet ist, das mittels Spritzpressen mit einer Formmasse derart zu einem monolithischen Block (80) verkapselt ist, dass eine obere Außenfläche (13) des Trägersubstrats (12) und eine Außenfläche (27) der Metallunterlage (26) zur Ankontaktierung geeignet freiliegen.
Leiterplatte (50) mit einem Leiterplattenschichtaufbau (L1) und einem in den Leiterplattenschichtaufbau (L1) eingesetzten und mit diesem verpressten leistungselektronischen Modul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder mit einem in den Leiterplattenschichtaufbau (L1) eingesetzten und mit diesem verpressten leistungselektronischen Modulblock (80) nach Anspruch 8.
Leiterplatte (50) nach Anspruch 9, mit einem Kühlfluidstromkörper (60), der einem bauelementfernen Abschnitt (18) des Trägersubstrats (12) zugeordnet an einer Unterseite (51) der Leiterplatte (50) angeordnet ist.
Leiterplatte (50) nach Anspruch 10, bei der ein bauelementferner Abschnitt (18) des Trägersubstrats (12) zur Beaufschlagung mit Kühlfluid freigelegt ist, insbesondere durch Tiefenfräsen, wobei der Kühlfluidstromkörper (60) insbesondere eine Kühlfluidführungsstruktur (62) aufweist, die dazu ausgebildet ist, Kühlfluid dem freigelegten bauelementfernen Abschnitt (18) zur insbesondere direkten Umströmung zuzuführen.
Leiterplatte (50) nach Anspruch 11, dessen Kühlfluidstromkörper (60) an einer dem freigelegten bauelementfernen Abschnitt (18) zugewandten Fläche Kühlkanäle aufweist.
Leiterplatte (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, mit einem in den Leiterplattenschichtaufbau (L1) eingesetzten und mit diesem verpressten leistungselektronischen Modul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Anschlusselement (34) mit einer leitenden Schicht des Leiterplattenschichtaufbaus (L1), die im wesentlichen bündig mit der Metallunterlage (26) abschließt, elektrisch verbunden ist, bspw. durch Fügen oder mittels Innenlagenverbindungen.
Verfahren zur Herstellung eines leistungselektronischen Moduls (10) mit den Merkmalen des Anspruchs 5 oder 6, mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Ausgangs-Trägersubstrats (12'), das eine isolierende Innenlage (22), eine darunter ausgebildete Metallunterlage (26) und eine darauf ausgebildete Metalloberlage (24) umfasst, - Ausbilden von einem oder mehreren Löchern (23') durch die Metallunterlage (26) und die isolierende Innenlage (22), - Füllen der Löcher (23') mit elektrisch leitendem Material zur Bildung von Durchkontaktierungen (23), - Ätzen der Metallunterlage (26) zur Ausbildung einer potentialgetrennten Anschlusslage (36), um so ein sich außerhalb des Mehrschichtaufbaus im wesentlichen senkrecht zu den Schichten des Mehrschichtaufbaus erstreckendes Anschlusselement (34) zur elektrischen Anbindung des leistungselektronischen Bauelements (16) auszubilden, das sich über eine Höhe des Trägersubstrats (12) bis zu der Metallunterlage (26) erstreckt und im wesentlichen bündig mit einer Außenfläche (27) der Metallunterlage (26) abschließt.
Verfahren nach Anspruch 14, mit dem zusätzlichen Schritt des chemischen Metallabscheidens in den Löchern vor dem Schritt des Füllens.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, mit dem zusätzlichen Schritt des Aufbringens weiteren Metalls auf die Metalloberlage und/oder die Metallunterlage.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem vor dem Schritt des Aufbringens weiteren Metalls ein definierter Bereich der Metalloberlage mit Fotoresistmaterial belegt wird, um durch das Aufbringen von Metall eine Vertiefung zur Aufnahme eines leistungselektronischen Bauelements auszubilden, gefolgt von dem Schritt des Entfernen des Fotoresistmaterials.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, mit dem zusätzlichen Schritt des Aufbringens eines Rahmens auf die Metalloberlage mit einer Ausnehmung zur Aufnahme eines leistungselektronischen Bauelements, bspw. mittels Fügen, insb. Sintern.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, mit dem zusätzlichen Schritt des Einbringens eines leistungselektronischen Bauelements in die Vertiefung in der Metalloberlage bzw. die Ausnehmung in dem Rahmen.
Verfahren nach Anspruch 19, mit dem zusätzlichen Schritt des Verkapselns des leistungselektronischen Moduls mittels Spritzgießen/Transfermolden zu einem monolithischen Block zur Bildung eines zur Integration in eine Leiterplatte geeigneten leistungselektronischen Modulblocks.