DE102004032371A1

DE102004032371A1 - Elektronische Schaltungseinheit

Info

Publication number: DE102004032371A1
Application number: DE102004032371A
Authority: DE
Inventors: Eric Ochs; Christoph Ruf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2006-01-26
Also published as: US7772688B2; JP4728330B2; WO2006003170A1; US20080061426A1; JP2008504706A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungseinheit mit mindestens einem Halbleiter (15), der auf einem Substrat angeordnet ist und dessen elektrische Anschlüsse mit Leiterbahnen des Substrats in elektrischem Kontakt stehen, und mit einem das Substrat aufnehmenden Gehäuse, das Kontaktbahnen aufweist, die mit den Leiterbahnen des Substrats mittels elektrischer Verbindungen verbunden sind. Es ist vorgesehen, dass die elektrischen Verbindungen (20) jeweils eine am Substrat (12) angeordnete Kontaktfläche (17) aufweisen, die beim Zusammenfügen von Substrat (12) und Gehäuse (2) mit Gegenkontaktflächen (19) der Kontaktbahnen (21) in Gegenüberlage kommen. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungseinheit nach Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren.

Elektronische Schaltungen finden in praktisch allen Bereichen des täglichen Lebens Anwendung. Insbesondere für Steuer- und/oder Regelungszwecke werden in den vielfältigsten Bereichen und für die unterschiedlichsten Anforderungen elektronische Schaltungen eingesetzt. Im Automobilbau finden elektronische Schaltungen insbesondere für Steuer- und/oder Regelungszwecke Verwendung. Hierbei werden sie vorzugsweise als elektronische Schaltungseinheiten ausgeführt, die in einem spezifischen Gehäuse mindestens einen Halbleiter und entsprechende Vorrichtungen vorsehen, um eine Verbindung der elektronischen Schaltungseinheit mit den übrigen elektrischen beziehungsweise elektronischen Kreisen des Fahrzeuges zu schaffen. Die Halbleiter werden meist zusammen mit einigen passiven Bauelementen auf ein anwendungsspezifisch strukturiertes Substrat geklebt oder gelötet. Als Substrat finden beispielsweise geeignete Keramiken Anwendung. Die beim Betrieb der elektronischen Schaltung entstehende Verlustwärme wird – vor allem in elektronischen Steuergeräten mit erhöhter Verlustleistung – über einen anwendungsspezifischen Kühlkörper abgeleitet. Zusammen mit dem anwendungsspezifischen Gehäuse bildet das Substrat mit dem Halb leiter und dem auf diesem montierten Kühlkörper ein Modul, wobei zur Außenkontaktierung der Schaltungseinheit Kontaktbahnen bildende Leiterbahnen und mit diesen verbundene, außenliegende Steckerpins vorgesehen sind. Die elektrische Kontaktierung des Substrates mit den Kontaktbahnen beziehungsweise den Steckerpins des Gehäuses erfolgt über Dickdraht-Bondverbindungen, wobei aufgrund der hohen Ströme oftmals mehrere Bondverbindungen parallel auszuführen sind.

Hieran ist nachteilig, dass durch die Anordnung des Kühlkörpers und die elektrische Kontaktierung über Dickdraht-Bondverbindungen (insbesondere bei mehrfach-paralleler Bondverbindung) relativ viel Bauraum innerhalb des Gehäuses beansprucht wird, beziehungsweise das Gehäuse verhältnismäßig groß ausgeführt werden muss. Ferner ist nachteilig, dass die Dickdraht-Bondverbindungen sequenziell appliziert werden müssen, so dass ein aufwendiger Fertigungsprozess erforderlich ist, der überdies relativ viel Zeit beansprucht.

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber bietet die Erfindung den Vorteil, dass bei einer elektronischen Schaltungseinheit mit mindestens einem Halbleiter, der auf einem Substrat angeordnet ist und dessen elektrische Anschlüsse mit Leiterbahnen des Substrats in elektrischem Kontakt stehen, und mit einem das Substrat aufnehmenden Gehäuse, das Kontaktbahnen aufweist, die mit den Leiterbahnen des Substrats mittels elektrischer Verbindungen verbunden sind, vorgesehen ist, dass die elektrischen Verbindungen jeweils eine am Substrat angeordnete Kontaktfläche aufweisen, die beim Zusammenfügen von Substrat und Gehäuse mit Gegenkontaktflächen der Kontaktbahnen zur Kontaktierung in Gegenüberlage kommen. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen aus dem Stand der Technik ist also vorgesehen, dass beim Zusammenführen der Bestandteile Substrat (mit hierauf angebrachtem Halbleiter) und Gehäuse (mit darin befindlichen, zu den Außenkontaktvor richtungen führenden Kontaktbahnen) Kontaktflächen am Substrat mit Gegenkontaktflächen von zu den Außenkontaktvorrichtungen führenden Kontaktbahnen am Gehäuse in Gegenüberlage kommen.

Durch die Gegenüberlage ist eine elektrische Berührungsanlage bewirkt.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich zwischen Kontaktflächen und Gegenkontaktflächen jeweils ein elektrisch leitfähiger Klebstoff befindet. Auf diese Weise ist es möglich, gleichzeitig eine sehr gute elektrische Kontaktgabe zwischen Kontaktflächen und Gegenkontaktflächen und auch eine mechanisch stabile Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem den Halbleiter tragenden Substrat herzustellen.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen den Kontaktflächen und Gegenkontaktflächen jeweils eine Lötverbindung angeordnet ist.

Bei einer Fortbildung der Erfindung befinden sich die Leiterbahnen auf der einen Seite des Substrats und die Kontaktflächen auf der anderen Seite des Substrats, wobei die Leiterbahnen und die Kontaktflächen mittels Durchkontaktierungen elektrisch verbunden sind. Diese Anordnung wird insbesondere dann gewählt, wenn der Halbleiter sich ebenfalls auf der den Kontaktflächen gegenüberliegenden Seite des Substrats befindet. Dadurch, dass die Leiterbahnen auf der den Halbleiter tragenden Seite des Substrats angeordnet sind, ist ein leichtes Anbringen (insbesondere ein leichtes Verlöten) und damit ein leichtes Kontaktieren sowie mechanisches Fixieren des Halbleiters auf den Leiterbahnen möglich. Durch die Durchkontaktierung der Leiterbahnen auf die gegenüberliegende Seite des Substrats und die dortige Anordnung der Kontaktflächen ist ein sehr raumsparender und im Zusammenbau wie auch im Einbau sehr leicht handzuhabender Aufbau möglich. Insbesondere ist es dadurch sehr einfach mög lich, das Substrat mit dem hierauf angeordneten Halbleiter (gewissermaßen als Modul) in ein beispielsweise halbschalenförmig ausgebildetes Gehäuse einzubringen, das die Gegenkontaktflächen und die Kontaktbahnen aufweist.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Halbleiter ein Leistungshalbleiter ist.

Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist das Substrat als wärmeleitfähiges Substrat ausgebildet. Insbesondere bei Einsatz von Leistungshalbleitern kann auf diese Weise die entstehende Verlustwärme sehr leicht auch über das Substrat abgeführt werden. Ein Wärmestau wird so weitestgehend vermieden.

Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist dem Halbleiter ein Kühlkörper zugeordnet, der der Abführung von Verlustwärme dient.

Eine weitere Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass sich der Kühlkörper auf der dem Halbleiter gegenüberliegenden Seite des Substrats befindet und der Kühlkörper mit dem Substrat wärmeleitfähig verbunden ist. Insbesondere in Verbindung mit der oben erwähnten Ausführung des Substrats als wärmeleitfähiges Substrat lässt sich auf diese Art und Weise nicht nur ein vereinfachter Aufbau, sondern auch eine sehr gute Wärmeableitung bewirken.

Nach einer bevorzugten Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlkörper in das Gehäuse integriert, insbesondere in das Gehäuse eingespritzt ist. Der Kühlkörper ist demnach ein integraler Bestandteil des Gehäuses, der durch das einfache, wie oben beschriebene Zusammenfügen von Gehäuse und dem den Halbleiter tragendenden Substrat auch mechanisch und thermisch an den Halbleiter angebunden wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kontaktbahnen in das Gehäuse, insbesondere in ein Kunststoffgehäuse, integriert, insbesondere eingespritzt sind. Auf diese Weise lässt sich die elektrische Kontaktierung nach außen ohne weitere Bauteile beziehungsweise ohne beim Zusammenbau erforderliche besondere Verarbeitungsschritte bewerkstelligen.

Nach einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiter und/oder zwischen dem Kühlkörper und dem Substrat eine Wärmeleitschicht angeordnet ist. Diese kann beispielsweise aus Wärmeleitpaste oder einem ähnlichen Material bestehen und dient der zuverlässigen und gleichmäßigen Abführung der im Halbleiter entstehenden Verlustwärme.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltungseinheit mit mindestens einem Halbleiter, der auf einem Substrat angeordnet ist und dessen elektrische Anschlüsse mit Leiterbahnen des Substrats in elektrischem Kontakt stehen, und mit einem das Substrat aufnehmenden Gehäuse, das Kontaktbahnen aufweist, die mit den Leiterbahnen des Substrats mittels elektrischer Verbindungen verbunden sind. Hierbei ist vorgesehen, dass beim Zusammenfügen von Substrat und Gehäuse zur Erzeugung der elektrischen Verbindung jeweils eine auf dem Substrat angeordnete Kontaktfläche mit einer entsprechenden Gegenkontaktfläche der Kontaktbahn in Gegenüberlage kommt.

Nach einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zur Herstellung einer vorstehend beschriebenen elektronischen Schaltungseinheit, bei der die elektrischen Verbindungen jeweils eine auf dem Substrat angeordnete Kontaktfläche und eine entsprechend Gegenkontaktfläche der Kontaktbahn umfassen, vorgesehen, dass die Kontaktflächen und die Gegenkontaktflächen durch das Zusammenfügen von Substrat und Gehäuse aufeinander zu liegen kommen und hierbei in elektrischen Kontakt treten. Beim Zusammensetzen von halbleitertragendem Substrat und Gehäuse wird folglich in einem Vorgang jede elektrische Verbindung, die die elektronische Schaltungseinrichtung aufweist, hergestellt. Die Herstellung der elektrischen Verbindungen erfolgt demzufolge sowohl simultan zueinander als auch simultan zum Zusammenbau von Gehäuse und Substrat. Hierdurch wird eine erhebliche Zeiteinsparung durch Wegfall sequenziell zu applizierender Bondverbindungen, eine Vereinfachung des zur Herstellung erforderlichen apparativen Aufwandes und damit eine deutliche Kostenreduktion der Herstellung bewirkt.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, beim Zusammenfügen von Substrat und Gehäuse, und damit einaktig zur Herstellung der elektrischen Verbindungen, auch eine thermische Kontaktierung des Halbleiters – gegebenenfalls über das thermisch ebenfalls leitende Substrat – mit einem im oder am Gehäuse angeordneten, beispielsweise eingespritzten Kühlköper zu bewirken. Sowohl die elektrische als auch die thermische Verbindung wird demnach in einem einzigen Arbeitsschritt hergestellt, was wiederum eine Vereinfachung der Herstellung und eine Kostenreduktion bewirkt.

Nach einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zum Zusammenfügen von Substrat und Gehäuse ein elektrisch leitender Klebstoff verwendet wird. Ein solcher Klebstoff ist leicht zu applizieren, beispielsweise aufzudrucken, und bewirkt beim Zusammenfügen sowohl die mechanische Fixierung des Substrates im Gehäuse als auch die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen und den Gegenkontaktflächen. Der Klebstoff ersetzt aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit Lötpunkte zwischen den Kontaktflächen und Gegenkontaktflächen der elektrischen Verbindung.

Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird zum Zusammenfügen ein Klebstoff verwendet, der sowohl elekt risch als auch thermisch leitend ist. Der Klebstoff kann dadurch in einem Akt sowohl an den elektrischen Verbindungen als auch zur Herstellung der thermischen Verbindung zwischen Substrat/Halbleiter und dem Kühlkörper verwendet, insbesondere in einem Akt aufgetragen, beispielsweise aufgedruckt werden. Thermische, elektrische und mechanische Verbindung werden damit in einem einzigen Herstellungsschritt bewirkt.

Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektronische Schaltungseinheit.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch eine elektronische Schaltungseinheit 1. Ein nur teilweise dargestelltes Gehäuse 2 weist einen Bodenabschnitt 3 auf, in den ein Kühlkörper 4 eingelassen, beispielsweise eingespritzt ist. Auf dem Bodenabschnitt 3 setzen Seitenabschnitte 5 auf, die Seitenwandungen 6 des Gehäuses 2 bilden. Der Bodenabschnitt 3 weist eine Innenfläche 8 auf, auf der Leiterbahnen 7 angeordnet sind, die Kontaktbahnen 21 bilden. Die Kontaktbahnen 21 durchdringen die Seitenwandungen 6 des Gehäuses 2 abschnittsweise und enden in nur schematisch dargestellten Kontaktstücken 9, die außerhalb des Gehäuses 2 liegen und mittels derer die Außenkontaktierung der elektronischen Schaltungseinheit 1 bewirkt wird. Die Kontaktbahnen 21 weisen eine Leiterbahnoberseite 10 auf. Innerhalb des Gehäuses 2 ist räumlich oberhalb der Kontaktbahnen 21 ein Substrat 12 angeordnet. Dieses weist eine Substratoberseite 13 auf, auf der Leiterbahnen 14 angeordnet sind, die einem auf dem Substrat 12 angeordneten Halbleiter 15 zugeordnet sind und über dessen elektrische Anschlüsse 23 dessen Kontaktierung bewirken. Die Leiterbahnen 14 sind über Durchkontaktierungen 16 mit Kontaktflächen 17 elektrisch leitend verbunden, die sich auf der Seite des Substrats befinden, die dem Halbleiter 15 und den Leiterbahnen 14 gegenüberliegt, die also den am Gehäuse befindlichen Kontaktbahnen 21 zugeordnet ist. Die Abschnitte der Kontaktbahnen 21, die den Kontaktflächen 17 genau gegenüberliegen, bilden Gegenkontaktflächen 19 aus. Zwischen den Kontaktflächen 17 und den Gegenkontaktflächen 19 ist jeweils ein Lötpunkt 11 angebracht, der die elektrische Verbindung zwischen den Kontaktflächen 17 und den Gegenkontaktflächen 19 herstellt. Alternativ ist ein elektrisch leitfähiger Klebstoff einsetzbar. Die elektrische Signalleitung beziehungsweise Kontaktierung des Halbleiters 15 mit den außerhalb des Gehäuses liegende Kontaktstücken 9 und damit zu einer weiteren, nicht dargestellten Beschaltung, innerhalb derer die elektronische Schaltungseinheit 1 eingesetzt wird, erfolgt demzufolge vom Halbleiter 15 ausgehend über dessen elektrische Anschlüsse 23, die Leiterbahnen 14, die Durchkontaktierungen 16 und die Kontaktflächen 17, die über die Lötpunkte 11 mit den Gegenkontaktflächen 19 in elektrischer Verbindung stehen, wobei die Gegenkontaktflächen 19 als Teile der Kontaktbahnen 21 beziehungsweise alternativ als mit den Leiterbahnen 7/Kontaktbahnen 21 elektrisch leitend verbundene Abschnitte ausgeführt sein können. Die Kontaktflächen 17 bilden über die Lötpunkte 11 (beziehungsweise einen elektrisch leitenden Klebstoff) und die Gegenkontaktflächen 19 eine elektrische Verbindung 20 zwischen dem auf dem Substrat 12 angeordneten Halbleiter 15 und den Kontaktbahnen 21, die am Gehäuse 2 angeordnet sind. Durch die verhältnismäßig großflächige Ausführung der Kontaktflächen 17 und der Gegenkontaktflächen 19 ergibt sich eine hohe Stromtragfähigkeit. Ferner ist durch die vertikal übereinander angeordnete, flächige Ausführungsform und die Verbindung der dem Halbleiter 15 zugeordneten Leiterbahnen 14 mit den Kontaktflächen 17 über Durchkontaktierungen 16 eine sehr platzsparende, einfach herzustellende elektrische Verbindung bewirkt. Besonders vorteilhaft ist, dass die Kontaktflächen 17 mit den Gegenkontaktflächen 19 über Lötpunkte 11 simultan, also im Herstellungsprozess gleichzeitig verbunden (nämlich verlötet) werden können, und zusätzlich gleichzeitig hierbei die mechanische Fixierung des Substrates 12 mit dem hierauf befindlichen Halbleiter 15 auf dem Kühlkörper 4 beziehungsweise einer zwischen Kühlkörper 4 und Substrat 12 angeordneten Wärmeleitschicht 18 stattfindet. Alternativ zur Verlötung mittels Lötpunkten 11 ist die Verwendung eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs zwischen den Kontaktflächen 17 und den Gegenkontaktflächen 19 vorgesehen. Hohe Stromtragfähigkeit der elektrischen Verbindung ist hier verbunden mit einer sehr raumsparenden Bauweise und einer sehr einfachen, nur wenige zeitlich sehr kurze Arbeitsschritte erfordernden Herstellung.

Claims

Elektronische Schaltungseinheit mit mindestens einem Halbleiter, der auf einem Substrat angeordnet ist und dessen elektrische Anschlüsse mit Leiterbahnen des Substrats in elektrischem Kontakt stehen, und mit einem das Substrat aufnehmenden Gehäuse, das Kontaktbahnen aufweist, die mit den Leiterbahnen des Substrats mittels elektrischer Verbindungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungen (20) eine am Substrat (12) angeordnete Kontaktfläche (17) aufweisen, die beim Zusammenfügen von Substrat (12) und Gehäuse (2) mit Gegenkontaktflächen der Kontaktbahnen (21) zur Kontaktierung in Gegenüberlage kommen.
Schaltungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenüberlage der Kontaktflächen (17) und der Gegenkontaktfläche (19) eine elektrische Berührungsanlage bewirkt.
Schaltungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kontaktflächen (17) und den Gegenkontaktflächen (19) jeweils ein elektrisch leitfähiger Klebstoff angeordnet ist.
Schaltungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kontaktflächen (17) und den Gegenkontaktflächen (19) jeweils eine Lötverbindung (11) angeordnet ist.
Schaltungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Leiterbahnen (14) auf der einen Seite des Substrats (12) und die Kontaktflächen (17) auf der anderen Seite des Substrats (12) befinden, wobei die Leiterbahnen (14) und die Kontaktflächen (17) mittels Durchkontaktierungen (16) elektrisch verbunden sind.
Schaltungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter (15) ein Leistungshalbleiter ist.
Schaltungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) als wärmeleitfähiges Substrat (22) ausgebildet ist.
Schaltungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Halbleiter (15) ein Kühlkörper (4) zugeordnet ist.
Schaltungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkörper (4) auf der dem Halbleiter (15) gegenüberliegenden Seite des Substrats (12) befindet und der Kühlkörper (4) mit dem Substrat (12) wärmeleitfähig verbunden ist.
Schaltungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (4) in das Gehäuse (2) integriert, insbesondere in das Gehäuse (2) eingespritzt ist.
Schaltungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbahnen (21) in das Gehäuse (2), insbesondere Kunststoffgehäuse, integriert, insbesondere eingespritzt sind.
Schaltungseinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kühlkörper (4) und dem Halbleiter (15) oder zwischen dem Kühlkörper (4) und dem Substrat (12) eine Wärmeleitschicht (18) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltungseinheit mit mindestens einem Halbleiter (15), der auf einem Substrat angeordnet ist und dessen elektrische Anschlüsse mit Leiterbahnen des Substrats in elektrischem Kontakt stehen, und mit einem das Substrat aufnehmenden Gehäuse, das Kontaktbahnen aufweist, die mit den Leiterbahnen des Substrats mittels elektrischer Verbindungen, die jeweils eine auf dem Substrat angeordnete Kontaktfläche und eine entsprechende Gegenkontaktfläche der Kontaktbahn umfassen, verbunden sind, vorzugsweise nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (17) und die Gegenkontaktflächen (19) durch Zusammenfügen von Substrat (12) und Gehäuse (2) aufeinander liegen und in elektrischen Kontakt treten.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter durch Zusammenfügen von Substrat (12) und Gehäuse (2) mit einem im/am Gehäuse (2) angeordneten Kühlkörper (4) in thermisch leitenden Kontakt tritt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zusammenfügen von Substrat (12) und Gehäuse (2) ein elektrisch leitender Klebstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch und thermisch leitender Klebstoff verwendet wird.