DE102004058806A1 - Schaltungsstruktur auf einem Kühlkörper und Verfahren zur Herstellung derartiger Schaltungsstrukturen - Google Patents

Schaltungsstruktur auf einem Kühlkörper und Verfahren zur Herstellung derartiger Schaltungsstrukturen Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schaltungsstrukturen auf einem Kühlkörper (1), wobei direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schicht (2) und mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schicht (3) ausgebildet werden. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine mittels einem derartigen Verfahren hergestellte Schaltungsstruktur.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsstruktur auf einem Kühlkörper und ein Verfahren zur Herstellung von Schaltungsstrukturen auf einem Kühlkörper, insbesondere für einen Aufbau von elektronischen Schaltungen mit erhöhten Verlustleistungen.
  • Obwohl auf beliebige elektronische Schaltungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Halbleiterschaltungen mit erhöhten Verlustleistungen näher erläutert.
  • In elektronischen Steuergeräten werden im Allgemeinen Halbleiter bzw. Leistungshalbleiter mit erhöhten Verlustleistungen zusammen mit mehreren passiven Bauelementen auf ein anwendungsspezifisch strukturiertes Leistungssubstrat mittels einer Lötverbindung oder dergleichen aufgebracht. Als Leistungssubstrat wird gemäß dem Stand der Technik beispielsweise ein so genanntes DBC-Keramiksubstrat verwendet, beispielsweise bestehend aus einer Al2O3-Keramik. Die Al2O3-Keramik weist an beiden Seiten beispielsweise eine etwa 300 μm dicke Kupferschicht auf.
  • Eine derartige Keramik stellt die elektrische Isolation von Leiterbahnen auf der Oberseite sicher. Ferner wird die thermische Ankopplung der auf die Leiterbahnen aufgelöteten Leistungshalbleiter zur Unterseite hin gewährleistet. Die Anschlüsse der Leistungshalbleiter werden durch Dickdraht-Bondverbindungen mit den Leiterbahnen des Leistungssubstrats kontaktiert. Für eine Abführung der im Betrieb entstehenden Verlustwärme wird das Leistungssubstrat im Allgemeinen auf einen anwendungsspezifischen Kühlkörper mittels eines geeigneten Klebstoffs geklebt.
  • An diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass der für den Klebevorgang verwendete Klebstoff einen unerwünschten thermischen Widerstand darstellt, welcher die Wärmeableitung nachteilig beeinflusst.
  • Daher findet sich im Stand der Technik der Ansatz, für Schaltungen mittlerer Verlustleistung isolierte Metallsubstrate (IMS) zu verwenden. Die Schichtdicken der aufgebrachten Leiterbahnen sind dabei relativ dünn ausgebildet, beispielsweise weniger als 300 μm.
  • Ferner ist aus dem Stand der Technik ein Beschichtungsverfahren zur Beschichtung von metallischen oder isolierenden Oberflächen bekannt, bei denen das zur Beschichtung vorgesehene Material mit hoher kinetischer Energie auf den zu beschichtenden Körper aufgebracht wird, um somit an diesen Stellen einen festen Verbund des zu beschichtenden Körpers mit dem Beschichtungsmaterial zu schaffen.
  • An den obigen Ansätzen hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass diese Herstellungsverfahren zum Herstellen von Schaltungsstrukturen allesamt aufwändig und kostenintensiv sind und keine optimale Wärmeableitung gewährleisten.
    •
  • Somit liegt der vorliegenden Erfndung allgemein die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsstruktur und ein Herstellungsverfahren für eine derartige Schaltungsstruktur zu schaffen, welche auf einfache und kostengünstige Weise eine verbesserte Wärmeableitung der Verlustwärme gewährleistet.
  • VORTEILE DER ERFINDUNG
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und vorrichtungsseitig durch die Schaltungsstruktur mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
  • Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schicht und mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schicht direkt auf dem Kühlkörper additiv ausgebildet werden.
  • Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass aufgrund des Fehlens eines Trägersubstrates der Schichtaufbau zum Bilden einer leistungselektronischen Schaltung erheblich reduziert werden kann, so dass die thermische Ankopplung der Leistungshalbleiter an den Kühlkörper wesentlich verbessert wird.
  • Ferner weist die vorliegende Erfindung den Vorteil auf, dass die Kosten der Schaltungsanordnung bzw. der leistungselektronischen Schaltung reduziert werden, da im Vergleich zu DBC-Keramiksubstraten auf ein Aufkleben der DBC-Keramiksubstrate auf den Kühlkörper des Steuergerätes verzichtet werden kann. Somit können zusätzliche Schichten, die zur Fixierung vorgefertigter Substrate erforderlich sind, beispielsweise Klebstoff- oder Lötschichten, vorteilhaft entfallen. Dadurch wird zusätzlich der Wärmewiderstand eines derartigen Schaltungsaufbaus erheblich verringert.
  • Durch die spezifische Strukturierung der einzelnen Schichten direkt auf dem Kühlkörper können ferner lediglich die Schichten auf dem Kühlkörper aufgebracht werden, welche für die Funktionalität der geplanten Schaltung unbedingt notwendig sind. Dadurch kann der Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten sowie die Aufbaudicke vorteilhaft verringert werden.
  • In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens sowie der im Anspruch 11 angegebenen Schaltungsstruktur.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht als Keramikschicht und die mindestens eine elektrisch leitende Schicht als Kupferschicht ausgebildet. Selbstverständlich können die einzelnen Schichten auch aus anderen geeigneten Materialien hergestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder eines Kaltgas-Spritzverfahrens direkt auf dem Kühlkörper additiv aufgebracht. Diese Verfahren steilen gängige und kostengünstige Verfahren dar, welche eine exakte spezifische Strukturierung der einzelnen Schichten ermöglichen. Die mindestens eine aufgebrachte elektrisch isolierende Schicht und/oder die mindestens eine aufgebrachte elektrisch leitende Schicht werden vorzugsweise mittels Masken, beispielsweise Blenden oder Schablonen, strukturiert. Diese strukturierten Schichten dienen als Schaltungsstrukturen für den Aufbau von insbesondere elektronischen Schaltungen mit erhöhten Verlustleistungen.
  • Alternativ werden die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht mittels eines Präzisions-Sprühverfahrens direkt auf dem Kühlköper additiv strukturiert aufgebracht. Durch das sequentielle Sprühen von elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden Materialien bzw. Schichten mit unterschiedlichen Layouts können elektronische Mehrlagen-Schaltungen mit Verbindungen zwischen übereinander liegenden Ebenen auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden.
  • Vorteilhaft werden mehrere spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schichten und mehrere spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schichten direkt auf dem Kühlköper für einen Aufbau von elektronischen Schaltungen mit erhöhter Verlustleistung ausgebildet. Durch eine sequentielle Ausbildung dieser Schichten mit unterschiedlichen Layouts können beispielsweise elektronische Mehrlagenschaltungen mit elektronischen Verbindungen zwischen übereinander liegenden Schichtebenen strukturiert gebildet werden.
  • Vorzugsweise werden die für eine Montage von Leistungshalbleitern vorgesehenen Bereiche mit einer reduzierten Anzahl an Schichtebenen ausgebildet. Dadurch wird insbesondere im Bereich von vorgesehenen Leistungshalbleitern eine optimale Wärmeableitung geschaffen.
  • Die einzelnen Schichten werden gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel derart dimensioniert und aus einem derartigen Material hergestellt, dass eine vorbestimmte Temperaturwechselbeständigkeit und/oder ein vorbestimmter Wärmewiderstand der hergestellten Schaltungsstruktur anwendungsspezifisch optimiert werden.
    •
  • ZEICHNUNGEN
  • Im Folgenden werden besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert.
  • Von den Figuren zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Schaltungsstruktur gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht einer Schaltungsstruktur gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 eine schematische Querschnittsansicht einer Schaltungsstruktur gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
  • 1 illustriert eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsstruktur gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 ersichtlich ist, ist die Schaltungsstruktur erfindungsgemäß direkt auf einem Kühlkörper 1 ausgebildet.
  • Der Kühlkörper 1 besteht vorzugsweise aus einem Material mit einem sehr hohen Wärmeleitkoeffizienten, beispielsweise Aluminium. Die Schaltungsstruktur hingegen besteht aus mehreren spezifisch strukturierten, elektrisch isolierenden Schichten 2 und mehreren spezifisch strukturierten, elektrisch leitenden Schichten 3, welche vorzugsweise sequentiell direkt auf dem Kühlkörper 1 mittels geeigneter Verfahren additiv gebildet werden.
  • Beispielsweise können verschiedene gängige thermische Spritzverfahren oder Kaltgas-Spritzverfahren verwendet werden. Mit derartigen Verfahren sind beispielsweise sowohl Kupferschichten als elektrische Leiter als auch Keramikschichten als Isolationsschichten direkt auf dem Kühlkörper 1 additiv aufbringbar. Bei derartigen Spritzverfahren ist eine Strukturierung der aufgebrachten Schichten durch beispielsweise einen Einsatz von Masken, insbesondere Blenden oder Schablonen, vorteilhaft. Hierbei handelt es sich um hinlänglich bekannte Verfahren, so dass im Folgenden auf eine ausführliche Beschreibung dieser verzichtet wird.
  • Alternativ ist die Strukturierung der einzelnen Schichten 2 und 3 auch durch geeignete Präzisions-Sprühverfahren durchführbar. Dabei ist bei dem Präzisions-Sprühverfahren vorzugsweise ein Sprühstrahl mit einer geringen Strahlaufweitung zu verwenden. Durch das sequentielle Sprühen von elektrisch leitenden Materialien 3 und isolierenden Materialien 2 mit unterschiedlichen Layouts können auf einfache Weise elektronische Mehrlagen-Schaltungen mit Verbindungen zwischen übereinander liegenden Lagen, d.h. mit so genannten Durchkontaktierungen 30, hergestellt werden.
  • Wie in 1 ferner ersichtlich ist, ist vorzugsweise zumindest ein nach außen verlängerter Bereich 31 einer elektrisch leitenden Schicht 3 vorgesehen, welche als Außenkontaktierungsflächen 31 für einen externen elektrischen Anschluss der elektrisch leitenden Schicht bzw. Schichten dient.
  • 2 illustriert eine schematische Querschnittsansicht einer auf einem Kühlkörper 1 direkt aufgebrachten Schaltungsstruktur gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die vorliegende Schaltungsstruktur gemäß 2 eine direkt auf dem Kühlkörper 1 aufgebrachte zusätzliche elektrisch leitende Schicht 4 auf. Somit können durch die vorliegende Erfindung auf einfache und kostengünstige Weise nach Belieben spezifisch strukturierte mehrlagige Strukturen geschaffen werden, welche entweder miteinander elektrisch verbundene Leitungsschichten 3 oder davon separat angesteuerte elektrisch leitende Schichten 4 aufweisen.
  • 3 illustriert eine schematische Querschnittsansicht einer auf einem Kühlkörper 1 direkt aufgebrachten Schaltungsstruktur gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Im Unterschied zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen ist die Schaltungsstruktur gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an vorbestimmten Bereichen mit einer reduzierten Anzahl an Schichtlagen aus Leitungsschichten 3 und Isolationsschichten 2 ausgebildet.
  • Im vorliegenden Beispiel gemäß 3 weist der rechte Bereich der Schaltungsstruktur lediglich drei Schichtebenen auf, wohingegen der linke Bereich vier Schichtebenen umfasst. Somit kann durch eine Montage der Leistungshalbleiter an den Montagestellen mit einer reduzierten Anzahl an Schichtlagen eine optimale Wärmeableitung über beispielsweise eine oder lediglich wenige Schichtlagen gewährleistet werden. Die Bereiche mit einer reduzierten Anzahl an Schichtlagen beschränken sich nicht nur auf den Randbereich der Schaltung, wie in 3 dargestellt ist, sondern können von mehrlagigen Strukturen teilweise oder vollständig umgeben sein. Dadurch können Ansteuer- und Auswerteschaltungen in unmittelbarer Nähe der Leistungshalbleiter angeordnet werden. Die vertiefte Anordnung der Leistungshalbleiter an den Montagestellen mit einer reduzierten Anzahl an Schichtlagen kann für eine einfache Verbindungstechnik vom Leistungshalbleiter zur Schaltungsstruktur genutzt werden.
  • Somit schafft die vorliegende Erfindung eine vorteilhafte Schaltungsstruktur und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen vorteilhaften Schaltungsstruktur, bei welcher die einzelnen elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Schichten spezifisch strukturiert direkt auf dem Kühlkörper additiv aufgebracht sind.
  • Durch den direkten Aufbau der Schaltungsstrukturen auf dem Kühlkörper kann der Wärmewiderstand erheblich reduziert werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei der Montage von Halbleitern mit erhöhter Verlustleistung und für Hochstrom-Leiterbahnen. Durch geeignete Abfolge der Materialschichten und Schichtdicken kann unter Berücksichtigung des Layouts die Beständigkeit des Gesamtaufbaus gegen Temperaturwechsel optimiert werden. Die Schichten können von ihrer Dicke derart dimensioniert und aus einem derartigen Material hergestellt werden, dass die aufgebrachte Schaltung die im Betrieb geforderte Zuverlässigkeit bezüglich beispielsweise einer Temperaturwechselbeständigkeit besitzt. Ein weiteres Kriterium für die Schichtdicke ist der Wärmewiderstand des Aufbaus, der ebenfalls anwendungsbezogen optimiert werden kann. Durch ein geeignetes Layout der aufgebrachten Schichten und durch einen Wechsel von elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Materialien bzw. Schichten lassen sich mehrlagige Schaltungsträger und auch Durchkontaktierungen zwischen den verschiedenen Ebenen bzw. Lagen realisieren, wie in den 1 bis 3 illustriert ist.
  • Ein weiterer Vorteil des direkten, additiven Aufbaus von Schaltungsstrukturen auf Kühlkörpern besteht in der freien anwendungsspezifischen Gestaltung des Layouts der einzelnen Schichten, wodurch keine Rücksicht auf die Gestaltung eines geeigneten Mehrfachnutzens auf einem Großsubstrat genommen werden muss, im Gegensatz zu der DBC-Substrattechnik gemäß dem Stand der Technik.
  • Bedingt durch die Tatsache, dass die anwendungsspezifischen Schaltungsstrukturen direkt auf dem Kühlköper aufgebaut werden, entfällt das DBC-Einzelsubstrat und der Prozess sowie das Material für das Aufkleben der DBC-Substrate auf dem Kühlkörper, im Unterschied zu den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
  • BEZUGSZEICHENLISTE
    Figure 00080001

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung von Schaltungsstrukturen auf einem Kühlkörper (1), wobei direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schicht (2) und mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schicht (3) ausgebildet werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (2) als Keramikschicht ausgebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (3) als Kupferschicht ausgebildet wird.
  4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (2) und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (3) mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder eines Kaltgas-Spritzverfahrens direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv aufgebracht werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine aufgebrachte, elektrisch isolierende Schicht (2) und/oder die mindestens eine aufgebrachte elektrisch leitende Schicht (3) mittels Masken, beispielsweise Blenden oder Schablonen, strukturiert werden.
  6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (2) und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (3) mittels eines Präzisions-Sprühverfahrens direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv strukturiert aufgebracht werden.
  7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrisch isolierende Schichten (2) und mehrere elektrisch leitende Schichten (3) sequentiell mit unterschiedlichen Layouts zum Bilden von beispielsweise elektronischen Mehrlagenschaltungen mit elektronischen Verbindungen (30) zwischen übereinander liegenden Schichtebenen strukturiert gebildet werden.
  8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schichten (2) und mehrere spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schichten (3) direkt auf dem Kühlkörper (1) für einen Aufbau von elektronischen Schaltungen mit erhöhter Verlustleistung ausgebildet werden.
  9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für eine Montage von Leistungshalbleitern vorgesehenen Bereiche mit einer reduzierten Anzahl an Schichtebenen ausgebildet werden.
  10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten derart dimensioniert und aus einem derartigen Material hergestellt werden, dass eine vorbestimmte Temperaturwechselbeständigkeit und/oder ein vorbestimmter Wärmewiderstand der hergestellten Schaltungsstruktur anwendungsspezifisch optimiert werden.
  11. Schaltungsstruktur auf einem Kühlkörper (1), bestehend aus mindestens einer spezifisch strukturierten, elektrisch isolierenden Schicht (2) und mindestens einer spezifisch strukturierten, elektrisch leitenden Schicht (3), welche direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv aufbringbar sind.
  12. Schaltungsstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (2) aus Keramik und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (3) aus Kupfer besteht.
  13. Schaltungsstruktur nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) aus Aluminium besteht.
  14. Schaltungsstruktur nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstruktur mehrere elektrisch isolierende Schichten (2) und mehrere elektrisch leitende Schichten (3) in sequentieller Reihenfolge mit unterschiedlichen Layouts zum Bilden von beispielsweise elektronischen Mehrlagenschaltungen mit elektrischen Verbindungen (30) zwischen übereinander liegenden Schichtebenen strukturiert aufweist.
  15. Schaltungsstruktur nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstruktur für eine Montage von Leistungshalbleitern vorgesehene Bereiche mit einer reduzierten Anzahl an Schichtebenen aufweist.
  16. Schaltungsstruktur nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten derart dimensioniert sind und aus einem derartigen Material bestehen, dass eine vorbestimmte Temperaturwechselbeständigkeit und/oder ein vorbestimmter Wärmewiderstand der hergestellten Schaltungsstruktur anwendungsspezifisch optimiert ist.
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