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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Halbleiterbauelement-Anordnung, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie eine Entwärmungseinrichtung
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Stand der Technik
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Halbleiterbauelemente, speziell Leistungs-Halbleiterbauelemente, wie zum Beispiel Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (sog. Leistungs-MOSFETs), werden als Bauelemente häufig in Gehäusen mit Kühlflächen (sog. „Heatslug“, „exposed Pad“) geliefert. Es existieren verschiedene Gehäusebauformen, zum Beispiel unter den Bezeichnungen TO220, D2PAK oder DPAK bekannte Bauformen.
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Häufig sind die in einem Gehäuse untergebrachten Leistungs-Halbleiterbauelemente für die Oberflächenmontage bestimmt und werden auch als oberflächenmontierte Bauelemente (sog. surface-mount device / SMD) bezeichnet. Im Betrieb erwärmen sich Leistungs-Halbleiterbauelemente, so dass die gebildete Wärme abgeführt werden muss. Bei der Oberflächenmontage (sog. SMD-Montage) eines Leistungs-Halbleiterbauelements auf einer Leiterplatte dient diese im Allgemeinen als Wärmeableiter (sog. Heatsink). Der o. g. Heatslug, die sich im Regelfall an einer Metallplatte des Leistungs-Halbleiterbauelements befindet, ist auf der Leiterplatte für die SMD-Montage eine metallische Befestigungsfläche (sog. Footprint) zugeordnet, wobei die Fläche des Footprints auf der Leiterplatte etwa der Heatslug-Fläche des Halbleiterbauelements entspricht.
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Im Allgemeinen wird die Wärme von der Leiterplatte über thermische Bohrungen, d. h. über metallisierte Bohrungen, (auch als thermische Vias bezeichnet) und über Wärmeleitpaste (Thermisches Interface Material) an ein Gerätegehäuse weitergeleitet. Thermische Vias können unter dem Heatslug oder bspw. in direkter Umgebung in der Leiterplatte platziert sein. Da sich thermische Vias in der Regel senkrecht zur Leiterplattenebene erstrecken, kann die Wärme auf kurzem Weg, bspw. an ein Gerätegehäuse, abgeleitet werden.
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Derartige in einem Bauelementgehäuse verbaute Halbleiterbauelemente kommen zum Beispiel auch in Ladegeräten für die Elektromobilität zum Einsatz. Hier fallen im Betrieb sehr hohe Verlustleistungen an, so dass der Kühlung besondere Bedeutung zukommt.
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Da hohe Spannungen erzeugt werden (zum Beispiel für eine 800 V-Batterie), sind auch hohe Anforderungen an die Isolation gestellt. Die Isolationsanforderungen sind in verschiedenen Normen festgelegt, zum Beispiel in der Norm IEC 60664-1 (Insuco-Norm) und bzgl. des Überspannungs-Schutzes in der Norm IEC 61000-4-5.
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Bei einigen Anwendungen ist die Verwendung von Thermischen Vias aufgrund elektrischer Isolationsverordnungen nicht zulässig. Andererseits steht bei Standard-Leiterplatten (sog. Printed Circuit Boards = PCBs) pro Lagenebene nur eine geringe Kupferschichtdicke (oft nur 70 Mikrometer, teilweise bis zu 105 oder 200 Mikrometer, jedoch nur selten mehr) zur Verfügung. Daher kann die Verlustleistung, die das Leistungsbauteil über seinen Heatslug abgibt, mit der Standard-Leiterplatten-Technologie und unter Verwendung des Standard-Footprint-Designs nicht mehr ausreichend abgeführt werden.
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Um hohe Anforderungen bezüglich der elektrischen Isolierung und der Wärmeabfuhr zu erfüllen, ist bekannt, dass ausgehend von dem Halbleiterbauelement zuerst eine elektrische Isolation und danach eine sog. Wärmespreizung mittels einer Al/Cu-Platte und die weitere Wärmeabfuhr erfolgt. Diesbezüglich ist von Fa. Bergquist -Henkel das sog. Thermal Clad Isolated Metal Substrate (geschützte Bezeichnung IMS) bekannt. Es existieren andere Techniken, die zwar eine gute Entwärmung ermöglichen, die aber andererseits keine ausreichende erforderliche elektrische Isolation liefern und die teilweise weitere Nachteile haben, wie zum Beispiel Toleranzen, die das Löten erschweren.
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Insgesamt besteht, insbesondere im Hinblick auf die erwähnten Normen, die Problematik, dass mit Standard-Leiterplatten nicht gleichzeitig die einerseits verlangte elektrische Isolation und die andererseits erforderliche Entwärmung (d. h. Wärmeabfuhr) erreicht werden kann. Dies führt zu einem Zielkonflikt bei der Isolationskoordination.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Offenbarung die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterbauelement-Anordnung bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbauelement-Anordnung bzw. eine Entwärmungseinrichtung für eine Halbleiterbauelement-Anordnung vorteilhaft weiter zu bilden. Insbesondere wird angestrebt, dass damit zumindest einzelne oder alle der zuvor genannten Nachteile überwunden werden können. Insbesondere soll auch eine Möglichkeit zur Wärmepufferung geschaffen werden, um kurzfristige, mit einem Temperaturanstieg verbundene Leistungsspitzen, abzufedern.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Halbleiterbauelement-Anordnung, die zumindest ein Halbleiterbauelement und eine Leiterplatte aufweist, angegeben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung der Halbleiterbauelement-Anordnung angegeben.
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Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine elektrische Schaltung angegeben, welche die Halbleiterbauelement-Anordnung aufweist.
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Gemäß einem vierten Aspekt wird eine Entwärmungseinrichtung für eine Halbleiterbauelement-Anordnung angegeben.
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Die Halbleiterbauelement-Anordnung weist einen - insbesondere ersten - Metallblock auf, der zwischen dem Halbleiterbauelement und der Leiterplatte angeordnet ist, der mit einem - insbesondere ersten - elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements mittels einer Lötverbindung verbunden ist und der mit zumindest einer Leiterbahn der Leiterplatte mittels einer weiteren Lötverbindung verbunden ist. Insbesondere ist der Metallblock mit einer freiliegenden Montagefläche der der Leiterbahn verlötet. „Freiliegend“ bedeutet dabei insbesondere, dass die Montagefläche - insbesondere zur Herstellung der weiteren Lötverbindung - von Lötstopplack unbedeckt ist. Nach der Herstellung der weiteren Lötverbindung ist die Montagefläche insbesondere stellenweise oder vollständig mit Lötzinn bedeckt und von dem ersten Metallblock überdeckt. Bei einer Weiterbildung ist die Leiterbahn vollständig oder stellenweise von einer geätzten Kupferschicht gebildet, die insbesondere auf einem isolierenden Träger der Leiterplatte angebracht ist.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung hat der Metallblock in Richtung von der Leiterplatte weg und zu dem Halbleiterbauelement hin eine Ausdehnung die mindestens so groß ist wie die Ausdehnung des Halbleiterbauelements in dieser Richtung, gemessen vom ersten elektrischen Anschluss in Richtung von der Leiterplatte weg. Ist das Halbleiterbauelement in einem Gehäuse angeordnet wird unter der Ausdehnung des Halbleiterbauelements dessen Ausdehnung einschließlich des Gehäuses verstanden.
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Mittels einer solchen Einbindung des Metallblocks kann vorteilhaft erreicht werden, dass - aus Richtung des im Betrieb erwärmten Halbleiterbauelements betrachtet - die Wärmespreizung, d. h. die den Wärmeabtransport begünstigende Verbreiterung des Wärmestroms mittels eines im Vergleich zu einem vorangehenden Wärmeleiter breiteren Wärmeleiters, noch vor der elektrischen Isolation, die gleichzeitig eine thermische Barriere herstellt, erfolgt. Insbesondere ist eine erste Wärmespreizung an der Verbindung des elektrischen Anschlusses mit dem Metallblock erzielbar. Eine zweite Wärmespreizung kann hierbei an der Verbindung zu der Leiterbahn erfolgen. Zudem ist innerhalb des vergleichsweise dicken Metallblocks eine besonders gute laterale Ausbreitung der vom Halbleiterbauelement abgeführten Wärme erzielbar.
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Auf diese Weise kann die thermische Leitfähigkeit der Verbindung zwischen dem Halbleiterbauelement und der Leiterplatte verbessert und die Wärmeableitung verbessert werden. Auf diese Weise wird auch eine Insuco-konforme Isolierung ermöglicht, und der Zielkonflikt bei der Isolierungskoordination wird vorteilhaft aufgelöst.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Halbleiterbauelement-Anordnung einen Metallkörper auf, der in die Leiterplatte eingelassen ist. Der Metallblock ist mit dem Metallkörper mittels der weiteren Lötverbindung verbunden. Insbesonder weist der Metallkörper die freiliegende Montagefläche auf.
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Bei einer Weiterbildung stellt der Metallkörper einen Abschnitt der Leiterbahn dar, die insbesondere im Übrigen von der geätzten Kupferschicht gebildet ist. Beispielsweise ist eine von einem Grundkörper der Leiterplatte abgewandte Oberfläche der Leiterbahn einschließlich einer vom Grundkörper der Leiterplatte abgewandten Oberfläche des Metallkörpers vollständig in einer einzigen Ebene angeordnet. Bei einer Weiterbildung ist der Metallkörper vorgefertigt und nachfolgend am Grundkörper der Leiterplatte befestigt.
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Eine erste Wärmespreizung ist auch hierbei an der Verbindung des elektrischen Anschlusses mit dem Metallblock erzielbar. Eine zweite Wärmespreizung kann hierbei an der Verbindung zu einem in die Leiterplatte eingelassenen Metallkörper erfolgen.
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Mittels der Wärmespreizung an den Verbindungen zwischen elektrischem Anschluss und Metallblock und zwischen Metallblock und Leiterbahn bzw. Metallkörper ist folglich sogar eine additive Wärmespreizung erzielbar. Hinzu kommt als Vorteil, dass der Metallblock und der ggf. vorhandene Metallkörper auch eine Wärmepufferwirkung hat, so dass er auch insofern als Kühlkörper wirksam sein kann. Durch die Vergrößerung der Masse der thermisch leitfähigen Materialien und deren räumliche Ausdehnung wird die Wärmespreizung in die verschiedenen tiefer liegenden Schichten verbessert und so effektiver mehr Wärme in ein Gehäuse oder zu einer sonstigen Wärmesenke abgeführt. Darüber hinaus können kurzzeitige Temperaturerhöhungen, die durch Leistungsspitzen verursacht werden, durch die erhöhte thermisch wirksame Masse im Leitungspfad abgepuffert werden.
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Bei einer Ausführungsform weist das Halbleiterbauelement mindestens einen weiteren elektrischen Anschluss - vorzugsweise eine Mehrzahl von weiteren elektrischen Anschlüssen - auf. Die Halbleiterbauelement-Anordnung enthält zumindest eine Metallblock-Gruppe, die den ersten Metallblock und mindestens einen weiteren Metallblock - vorzugsweise mehrere weitere Metallblöcke - aufweist, wobei insbesondere jeder weitere Metallblock einem der weiteren elektrischen Anschlüsse zugeordnet ist. Die Anzahl der zu der Metallblock-Gruppe gehörenden weiteren Metallblöcke entspricht vorzugsweise der Anzahl der weiteren elektrischen Anschlüsse. Der bzw. jeder weitere Metallblock der Metallblock-Gruppe ist mittels einer jeweiligen Lötverbindung zwischen den bzw. einen jeweiligen weiteren elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements und die Leiterplatte zwischengeschaltet. Insbesondere ist jeder der weiteren Metallblöcke an einer Seite mit einem der weiteren elektrischen Anschlüsse verlötet und an einer gegenüberliegenden Seite mit einer weiteren Leiterbahn der Leiterplatte verlötet.
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Dies ermöglicht zum Beispiel, dass jedem elektrischen Anschluss je ein Metallblock zum elektrisch und thermisch leitfähigen Anschluss an eine Leiterplatte zugeordnet werden kann.
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Bei einer Ausführungsform ist das Halbleiterbauelement in ein Gehäuse eingebaut ist, wobei der erste elektrische Anschluss des Halbbauleiterelements mit einer an dem Gehäuse befestigten ersten Metallplatte verbunden ist. Derartige Metallplatten besitzen eine am Gehäuse freiliegende Oberfläche und sind als sog. Heatslug bekannt. Anders ausgedrückt weist das Halbleiterbaulemenet ein Gehäuse auf und der erste elektrische Anschluss ist von einer am Gehäuse freiliegenden Oberfläche der ersten Metallplatte gebildet. Die Dimensionierung der freiligenden Oberfläche folgt primär den Anforderungen an die Wärmeableitung; im Regelfall beträgt die freie Oberfläche zumindest einen Quadratmillimeter.
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Bei einer Weiterbildung ist ein zweiter elektrischer Anschluss des Halbleiterbauelements mit einer an dem Gehäuse befestigten zweiten Metallplatte verbunden - d.h. insbesondere von einer freiligenden Oberfläche der zweiten Metallplatte gebildet. Zudem kann ein dritter elektrischer Anschluss des Halbleiterbauelements mit einer an dem Gehäuse befestigten dritten Metallplatte verbunden - d.h. insbesondere von einer freiligenden Oberfläche der dritten Metallplatte gebildet - sein und insbesondere ein vierter elektrischer Anschluss des Halbleiterbauelements mit einer an dem Gehäuse befestigten vierten Metallplatte - d.h. insbesondere von einer freiligenden Oberfläche der vierten Metallplatte gebildet - verbunden sein.
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Bei einer alternativen, bevorzugten, Weiterbildung ragt aber der zweite elektrische Anschluss und etwaige weitere elektrische Anschlüsse des Halbleiterbauelements als ein Pin des betreffenden Anschlusses aus dem Gehäuse heraus.
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Bei einer Ausführungsform hat der erste Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche ist an seiner ersten Stirnfläche mittels der Lötverbindung mit einer Plattenfläche - das ist insbesondere die freiliegende Oberfläche - der ersten Metallplatte verbunden ist und an seiner zweiten Stirnfläche mittels der weiteren Lötverbindung mit der Leiterbahn der Leiterplatte verbunden. Entsprechend kann jeder der weiteren Metallblöcke - insbesondere der zweite, dritte bzw. vierte Metallblock - jeweils eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche aufweisen, an seiner ersten Stirnfläche mittels der jeweiligen weiteren Lötverbindung mit einem jeweiligen weiteren elektrischen Anschluss - d.h. insbesondere mit dem zweiten bzw. dritten bzw. vierten elektrischen Anschluss - des Halbleiterbauelements verbunden sein und an seiner zweiten Stirnfläche mit einer jeweiligen weiteren Leiterbahn der Leiterplatte mittels einer Lötverbindung verbunden sein. Derartige Ausführungsformen sind besonders gut für die SMD-Montage geeignet.
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Die Lötverbindung an der ersten Stirnfläche und/oder die Lötverbindung an der zweiten Stirnfläche des jeweiligen Metallblocks kann vorzugsweise mittels Reflowlöten ausgeführt sein. Es ist bevorzugt, dass die Leiterbahn, die mittels einer Lötverbindung mit einem Metallblock verbunden ist, Bestandteil einer Außenlage der Leiterplatte ist, oder dass jede Leiterbahn, die mittels einer Lötverbindung mit einem Metallblock verbunden ist, Bestandteil einer Außenlage der Leiterplatte ist.
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Bei einer Ausführungsform erstrecken sich alle ersten Stirnflächen der Metallblöcke der Metallblock-Gruppe - das sind insbesondere der erste Metallblock und der weitere Metallblock bzw. die weiteren Metallblöcke, z.B. der zweite Metallblock oder der zweite und dritte Metallblock oder der zweite, dritte und vierte Metallblock - in einer ersten Ebene und alle zweiten Stirnflächen der Metallblöcke der Metallblock-Gruppe in einer zweiten Ebene, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene insbesondere parallel zueinander sind.
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Bei einer Ausführungsform sind die Metallblöcke der Metallblock-Gruppe zueinander seitlich angeordnet. Zueinander seitlich bedeutet in Bezug auf eine beliebig orientierte Bezugsebene nebeneinanderliegend, wobei der Begriff nebeneinander keine Festlegung auf eine Anordnung in einer Reihe bedeutet, sondern je nach Bedarf verschiedene Anordnungen möglich sind. Vorzugsweise sind die Metallblöcke in Draufsicht auf eine Haupterstreckungsebene der Leiterplatte zueinander versetzt angeordnet.
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Bei einer Weiterbildung sind die Metallblöcke der Metallblock-Gruppe an ihren seitlichen Mantelflächen teilweise oder vollständig von einer ihnen gemeinsamen, elektrisch isolierenden Ummantelung ummantelt. Die Ummantelung ist insbesondere aus Kunststoff hergestellt; mit anderen Worten handelt es sich bei der Ummantelung um einen Kunststoffkörper, mit dem die Metallblöcke beispielsweise umspritzt sind.
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Eine einfache und dadurch preiswerte Formgebung kann dadurch erreicht werden, dass der Metallblock oder dass ein jeweiliger Metallblock in jeder zu der ersten Ebene und/oder zu der zweiten Ebene parallelen Ebene einen ihm zugeordneten einheitlichen Querschnitt aufweist. Das bedeutet, dass bei Betrachtung eines einzelnen Metallblocks dieser einen einheitlichen Querschnitt aufweist, wobei aber bei Betrachtung mehrerer Metallblöcke diese im Vergleich zueinander in den genannten Ebenen gleiche oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen können. Beispielsweise sind die Metallblöcke quaderförmig und haben insbesondere zur ersten und zweiten Ebene parallele Seiten. Im Hinblick auf eine zweckmäßige SMD-Montage und/oder vorteilhafte Wärmespreizung kann bei einer Weiterbildung der Querschnitt des ersten Metallblocks größer, zumindest um ein Mehrfaches größer, als der Querschnitt des weiteren Metallblocks bzw. als der Querschnitt jedes weiteren Metallblocks sein.
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Bei einer Ausführungsform ist die erste Stirnfläche des ersten Metallblocks größer als die Plattenfläche der ersten Metallplatte. Insbesondere erstreckt sich die Lötverbindung zwischen der ersten Metallplatte und dem ersten Metallblock in dem gesamten Bereich, in dem die Plattenfläche die erste Stirnfläche (16) des ersten Metallblocks überlappt. So ist eine besonders gute Wärmespreizung erzielbar. Beispielsweise ragt der erste Metallblock lateral über die erste Metallplatte hinaus. Eine Kantenlänge des Metallblocks ist in der Richtung, in der er lateral über die Metallplatte hinausragt, vorzugsweise um mindestens 30% größer als die Kantenlänge der Metallplatte in dieser Richtung.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist jede Lötverbindung eine Lötzinnschicht auf. Bei einer weiteren Ausführungsform weist an dem Metallblock oder an den Metallblöcken die jeweilige erste Stirnfläche und die jeweilige zweite Stirnfläche eine für einen Lötprozess geeignete Passivierung auf.
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Bei einer Ausführungsform weist der erste Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche auf, ist an seiner ersten Stirnfläche mittels der Lötverbindung mit einer Plattenfläche der ersten Metallplatte verbunden und an seiner zweiten Stirnfläche mittels der weiteren Lötverbindung mit dem in die Leiterplatte eingelassenen ersten Metallkörper verbunden. Bei einer Weiterbildung weit der zweite Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche auf, ist an seiner ersten Stirnfläche mittels einer Lötverbindung mit dem zweiten elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements verbunden und an seiner zweiten Stirnfläche mit einem in die Leiterplatte eingelassenen zweiten Metallkörper verbunden. Zudem kann der dritte Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche aufweisen, an seiner ersten Stirnfläche mittels einer Lötverbindung mit einem dritten elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements verbunden sein und an seiner zweiten Stirnfläche mit einem in die Leiterplatte eingelassenen dritten Metallkörper verbunden sein, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass ein vierter Metallblock eine erste Stirnfläche und eine dazu entgegengesetzt weisende zweite Stirnfläche aufweist, an seiner ersten Stirnfläche mittels einer Lötverbindung mit einem vierten elektrischen Anschluss des Halbleiterbauelements verbunden ist und an seiner zweiten Stirnfläche mit einem in die Leiterplatte eingelassenen vierten Metallkörper verbunden ist.
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Bei einer Ausführungsform hat die freiliegende Montagefläche der Leiterbahn, auf welchen der erste Metallblock gelötet ist, oder der in die Leiterplatte eingelassene erste Metallkörper in Bezug auf die Haupterstreckungsebene der Leiterplatte eine im Vergleich zu dem ersten Metallblock größere flächenmäßige Erstreckung. Beispielsweise ist die Fläche des Metallkörpers bzw. der Montagefläche in Draufsicht auf die Haupterstreckungsebene der Leiterplatte um mindestens 30% größer als die Fläche des ersten Metallblocks. Dies ermöglicht eine nochmalige Wärmespreizung und eine besonders hohe Gesamt-Wärmespreizung.
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Gemäß einer Ausführungsform sind ein Pin eines zweiten elektrischen Anschlusses und insbesondere ein Pin eines dritten elektrischen Anschlusses und insbesondere ein Pin eines vierten elektrischen Anschlusses des Halbleiterbauelements auf jeweilige weitere Leiterbahnen der Leiterplatte und/oder auf in die Leiterplatte eingelassene weitere Metallkörper aufgelötet oder alternativ mittels Durchsteckmontage an jeweilige weitere Leiterbahnen der Leiterplatte und/oder an in die Leiterplatte eingelassene weitere Metallkörper angelötet. Bei dieser Ausführungsform kann die Anordnung beispielsweise lediglich den ersten Metallblock - und keine Metallblock-Gruppe mit weiteren Metallblöcken - aufweisen.
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Zum Auflöten auf Leiterbahnen können die Pins vorzugsweise als sog. SMD-Pins ausgeführt sein (SMD = Surface-Mount Device). Hierbei ist wegen des ersten Metallblocks zu beachten, dass den SMD-Pins ausreichend Lotvolumen zur Verfügung gestellt wird, um den sich ergebenden Höhenunterschied zu überbrücken. Gemäß einer einfachen und preiswerten Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich betreffend einen jeweiligen Metallblock auf seiner jeweiligen ersten Stirnfläche und auf seiner jeweiligen zweiten Stirnfläche im Bereich der Lötverbindung eine Lötzinnschicht befindet und/oder dass sich zwischen einem jeweiligen Pin und einer mit dem Pin verlöteten Leiterbahn (8) im Bereich der Lötverbindung eine Lötzinnschicht befindet.
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Bei einer Ausführungsform besteht der Metallblock aus Kupfer besteht und/oder der mindestens eine weitere Metallblock besteht aus Kupfer. Kupfer besitzt sowohl eine gute elektrische Leitfähigkeit als auch eine gute thermische Wärmeleitfähigkeit und außerdem ein für die Erfindung geeignetes Wärmespeichervermögen. Im Hinblick auf die auch wünschenswerte Wärmespeicherung ist bevorzugt, dass der Metallblock oder dass ein jeweiliger Metallblock senkrecht zu seiner ersten Stirnfläche eine Dicke aufweist, die einem Mehrfachen der Dicke der Leiterbahnen der Leiterplatte entspricht.
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Bei einer weiteren Ausführungsform hat der in die Leiterplatte eingelassene Metallkörper und/oder ein jeweiliger in die Leiterplatte eingelassener weiterer Metallkörper - insbesondere der zweite und/oder dritte und/oder vierte Metallkörper - in einer zur Haupterstreckungsebene der Leiterplatte senkrechten Richtung eine Dicke, die zumindest einem Mehrfachen der Dicke der Leiterbahn bzw. der jeweiligen weiteren Leiterbahn in einem an den jeweiligen Metallkörper angrenzenden Bereich entspricht. Bei einer weiteren Ausführungsform besteht der Metallkörper und/oder bestehen der/die weitere(n) Metallkörper aus Kupfer. Insofern kann der oder kann jeder in die Leiterplatte eingelassene Metallkörper zusätzlich zu dem Metallblock oder den Metallblöcken als weitere Wärmesenke(n) dienen und Wärmepuffer bereitstellen, um kurzfristige Leistungsspitzen des Halbleiterbauelements mit Temperaturanstieg abzufedern.
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Die Erfindung ist besonders dann vorteilhaft, wenn es sich, wie bei einigen bevorzugten Ausführungsformen, bei dem Halbleiterbauelement um ein Leistungs-Halbleiterbauelement, insbesondere um einen Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Leistungs-MOSFET) handelt. Insbesondere kann es sich um ein Halbleiterbauelement handeln, das bei bestimmungsgemäßem Betrieb eine Verlustleistung von 2 Watt oder mehr erzeugt und/oder das sich nach dem Einschalten bei bestimmungsgemäßem Betrieb um zumindest 10 Grad Celsius erwärmt. Insbesondere kann es sich um ein Halbleiterbauelement handeln, das für einen Betrieb bei 24 V mit einer Stromstärke von zumindest 1 Ampere ausgelegt ist.
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Hinsichtlich der Leiterplatte ist bevorzugt, dass es sich um eine Standard-Leiterplatte handelt. Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der Leiterplatte um eine gedruckte Schaltung. Bei einer Weiterbildung weist die Leiterplatte zwei äußere Kupferlagen und zwischen ihnen drei Prepregs mit einer jeweiligen Dicke von zumindest 0,4 Millimeter auf oder die Leiterplatte weist vier Kupferlagen und zwischen je zwei benachbarten Kupferlagen je zumindest ein Prepreg, insbesondere mit einer jeweiligen Dicke von zumindest 0,4 Millimeter auf. Unter „Prepregs“ werden insbesondere Platten verstanden, die mit Glasgewebe verstärktes (Epoxid-) Harz, zum Beispiel das unter der Bezeichnung FR-4 bekannte Material, aufweisen. Derartige Leiterplatten stehen als Standardleiterplatten zur Verfügung.
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Bei einer Ausführungsform ist die Leiterplatte auf ihrer von dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite wärmeleitend, insbesondere mittels eines thermischen Interface, mit einer Wärmesenke verbunden, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Wärmesenke an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente Abfuhr der im Betrieb von dem Halbleiterbauelement erzeugten Wärme erzielbar.
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Mittels einzelner oder mehrerer der beschriebenen Merkmale kann der thermische Gesamtwiderstand zwischen einem wärmeerzeugenden Leistungs-Halbleiterbauelement und der Wärmesenke unter Verwendung von Standard-Leiterplatten im Vergleich zu herkömmlichen Techniken erheblich verringert werden. Die auch als Substrat bezeichnete Leiterplatte, die eine von den Normen verlangte elektrische Basis-Isolation liefert, die gleichzeitig auch eine thermische Barriere herstellt und die sich im Wärmestrom zwischen dem Halbleiterbauelement und der Wärmesenke befindet, wird zufolge einer ein- oder mehrfachen Wärmespreizung in einem großen Querschnitt von Wärme durchströmt, so dass dennoch ein hoher Wärmestrom fließen kann. Als Wärmesenke kommt dabei alternativ oder zusätzlich zu einer flüssigkeitsgekühlten Einrichtung auch ein Gerätegehäuse in Betracht. Dabei besteht hinsichtlich des Metallblocks bzw. der Metallblöcke weitgehende Gestaltungsfreiheit. Die Anordnung ist besonders bei allen solchen elektronischen Baugruppen vorteilhaft, die eine hohe Verlustleistung haben und die den Insuco-Vorschriften unterliegen, wobei sich diese Anforderungen gemäß der vorliegenden Offenbarung vorteilhaft mit einer Standard-Leiterplatte erfüllen lassen.
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Bei einer Ausführungsform handelt es sich bei der elektrischen Schaltung um eine Schaltung eines Ladegerätes (insbesondere eines sog. Onboard-Ladegerätes), um eine (Leistungs-)Endstufe, um eine Motorsteuerung oder um eine Schaltung eines sonstigen Gerätes zur Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen. In allen Anwendungen ermöglicht die Halbleiterbauelement-Anordnung eine effektive Entwärmung von Verlustwärme erzeugenden Leistungs-Halbleiterbauelementen.
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Das Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterbauelement-Anordnung umfasst vorzugsweise folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen einer Leiterplatte, eines Halbleiterbauelements, das zumindest einen ersten elektrischen Anschluss aufweist, und zumindest eines Metallblockes, Verbinden des ersten elektrischen Kontaktes mit einer ersten Stirnfläche des ersten Metallblocks mittels einer Lötverbindung und, insbesondere anschließend, Verbinden einer zweiten Stirnfläche des ersten Metallblocks, die auf der zu der ersten Stirnfläche entgegengesetzten Seite des ersten Metallblockes liegt, mittels einer Lötverbindung mit einer Leiterbahn der Leiterplatte oder, wenn in die Leiterplatte ein erster Metallkörper eingelassen ist, mittels des in die Leiterplatte integrierten Metallkörpers.
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Hinsichtlich möglicher Weiterbildungen, Vorteile und Wirkungen wird auf die übrige Beschreibung Bezug genommen. Bei einer Ausführungsform wird der erste elektrische Anschluss mit einer Metallplatte (sog. Heatslug) eines Bauelemente-Gehäuses des Halbleiter-Bauelements verbunden und/oder die Metallplatte wird mittels eines Oberflächenmontage-Prozesses (sog. Surface-mounting Technology = SMT) - insbesondere mittels Reflowlöten - auf den als Kühlkörper und zur Wärmespreizung dienenden Metallblock aufgebracht. Bei einer Weiterbildung wird der Kühlkörper anschließend mittels eines weiteren SMT-Prozesses - insbesondere mittels Reflowlöten - auf der Leiterplatte, bevorzugt auf einer Leiterbahn oder auf einem in die Leiterplatte eingelassenen Metallkörper, fixiert.
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Bei einer Ausführungsform weist die Entwärmungseinrichtung eine Mehrzahl von Metallblöcken auf, die zueinander seitlich angeordnet sind und die an ihren seitlichen Mantelflächen von einer ihnen gemeinsamen, elektrisch isolierenden Ummantelung ummantelt sind. Die Metallblöcke sind vorzugsweise aus Kupfer gefertigt. Die Ummantelung ist insbesondere aus Kunststoff hergestellt; insbesondere sind die Metallblöcke mit der Kunststoff-Ummantelung umspritzt.
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Bei einer Ausführungsform hat jeder Metallblock eine sich quer zu seiner Mantelfläche erstreckende erste Stirnfläche und eine sich quer zu seiner Mantelfläche erstreckende zweite Stirnfläche, wobei auf jeder ersten Stirnfläche und auf jeder zweiten Stirnfläche je eine Lötzinnschicht aufgebracht ist. Zu möglichen Weiterbildungen, Wirkungen und Vorteilen wird auf die übrige Beschreibung - insbesondere hinsichtlich der Metallblock-Gruppe - Bezug genommen.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Darin zeigt:
- 1 schematisch eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Entwärmungseinrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
- 2 eine Stirnansicht der in 1 gezeigten Entwärmungseinrichtung in dortiger Blickrichtung II;
- 3 eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen Entwärmungseinrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
- 4 in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Halbleiterbauelement-Anordnung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
- 5 in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Halbleiterbauelement-Anordnung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel;
- 6a in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Halbleiterbauelement-Anordnung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel und
- 6b eine Draufsicht der in 6a gezeigten Halbleiterbauelement-Anordnung in dortiger Blickrichtung VIb.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die in 4 gezeigte Halbleiterbauelement-Anordnung 1 umfasst die in den 1 und 2 dargestellte Entwärmungseinrichtung 2, so dass die Beschreibung im Zusammenhang erfolgt. Die Halbleiterbauelement-Anordnung 1 umfasst ein Halbleiterbauelement 3, das in ein Gehäuse 4 eingebaut ist und das daher in den Figuren nicht in näherer Einzelheit dargestellt ist. In dem Beispiel handelt es sich um ein sog. Leistungs-MOSFET, d. h. um einen Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Das Halbleiterbauelement 3 ist mittels der Entwärmungseinrichtung 2 an eine Leiterplatte 5 angeschlossen, die in dem Beispiel drei, in der Darstellung zu einer elektrisch und thermisch isolierenden Zwischenlage 6 zusammengefasste sog. Prepregs aufweist, sowie zwei äußere Kupferlagen 7. 4 zeigt schematisch, dass die obere Kupferlage 7 mehrere Leiterbahnen 8 aus Kupfer umfasst, die zur Vereinfachung einheitlich das gleiche Bezugszeichen tragen. In Verbindung mit den 1 und 2 wird deutlich, dass die Kupferlage 7 zumindest vier Leiterbahnen 8 umfasst, von denen sich eine Leiterbahn auf der in 4 linken Seite der sich streifenförmig senkrecht zu der Zeichenebene erstreckenden Lücke 9 befindet und von denen sich die drei weiteren Leiterbahnen 8 auf der rechten Seite der Lücke 9 befinden und ihrerseits voneinander mittels weiteren, in der Schnittebene nicht sichtbaren, streifenförmigen und zu der Lücke 9 quer verlaufenden Lücken voneinander getrennt sind. Auf ihrer von dem Halbleiterbauelement 3 abgewandten Seite ist die Leiterplatte 5 mittels eines sog. thermischen Interface 10 mit einer Wärmesenke 11 verbunden, die mittels eines Kühlmittelkreislaufes, nicht mit dargestellt, von einem Kühlmittel (zum Beispiel von Wasser) zur Wärmeabfuhr durchströmt wird.
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Das Halbleiterbauelement 3 besitzt einen ersten elektrischen Anschluss 21, der von dem Gehäuse 4 verdeckt ist, einen zweiten elektrischen Anschluss 22, einen dritten elektrischen Anschluss 23 und einen vierten elektrischen Anschluss 24, wobei die dritten und vierten Anschlüsse 23, 24 in 4 durch den zweiten Anschluss 22 verdeckt sind. Die Entwärmungseinrichtung 2 umfasst einen vergleichsweise großen ersten Metallblock 31, einen vergleichsweise kleineren in 4 ebenfalls in Schnittansicht gezeigten zweiten Metallblock 32 sowie einen dritten Metallblock 33 und einen vierten Metallblock 34, welche größenmäßig dem zweiten Metallblock 32 entsprechen und in Blickrichtung von 4 hinter dem zweiten Metallblock 32 angeordnet sind. Die vier Metallblöcke 31, 32, 33 und 34 bilden funktional eine Metallblock-Gruppe zum Anschließen des Halbleiterbauelements 3 an die Leiterplatte 5. Dazu ist der erste Metallblock 31 zwischen den in dem Gehäuse 4 befindlichen Halbleiterbauelementen 3 und der Leiterplatte 5 angeordnet, und die Metallblöcke 32, 33 und 34 sind zwischen je einem der elektrischen Anschlüsse 22, 23 und 24 und der Leiterplatte 5 angeordnet. In dem Beispiel ist der erste elektrische Anschluss 21 mit einer an dem Gehäuse 4 befestigten ersten Metallplatte 13 (sog. Heatslug) metallisch verbunden. Die Metallplatte 13 und dadurch der erste elektrische Anschluss 21 ist mittels einer Lötverbindung 14, welche die in 4 geschnittene Lötzinnschicht 15 aufweist, elektrisch leitfähig mit dem ersten Metallblock 31 verbunden. Aus 1 ist ersichtlich, dass die Lötzinnschicht 15 auf einer ersten Stirnfläche 16 des ersten Metallblocks 31 aufgebracht ist. Die erste Stirnfläche 16 des ersten Metallblockes 31 liegt in einer gemeinsamen ersten Ebene 18 zusammen mit einer ersten Stirnfläche 16 des zweiten Metallblocks 32, mit einer ersten Stirnfläche 16 des dritten Metallblockes 33 und mit einer ersten Stirnfläche 16 des vierten Metallblockes 34. Entsprechend liegt auf der entgegengesetzten Seite eine zweite Stirnfläche 17 des ersten Metallblockes 31 in einer zweiten Ebene 20 gemeinsam mit einer zweiten Stirnfläche 17 des zweiten Metallblockes 32, mit einer zweiten Stirnfläche 17 des dritten Metallblockes 33 und mit einer zweiten Stirnfläche 17 des vierten Metallblockes 34. Auf jeder ersten Stirnfläche 16 und auf jeder zweiten Stirnfläche 17 ist in dem Beispiel eine Lötzinnschicht 15 aufgebracht. Der erste Metallblock 31 ist mittels der auf seiner zweiten Stirnfläche 17 angebrachten Lötzinnschicht 15 mit der in 4 darunter liegenden Leiterbahn 8 der Leiterplatte 5 elektrisch leitfähig verbunden. Wie aus den Figuren deutlich wird, sind zur Übersicht sämtliche Lötzinnschichten einheitlich mit 15 bezeichnet und sind zur Übersicht alle aus je einer Lötzinnschicht 15 gebildete Lötverbindungen einheitlich mit dem Bezugszeichen 14 bezeichnet. 4 zeigt in der Schnittansicht eine Plattenfläche 19 der ersten Metallplatte 13, die mit der Lötzinnschicht 15 verbunden wurde.
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Wie besonders aus den 1 und 2 deutlich wird, sind die Metallblöcke 31, 32, 33, 34 zueinander seitlich angeordnet. 2 zeigt ihre in Bezug auf die Zeichenebene verteilte Anordnung nebeneinander. In dem Beispiel besitzen die drei Metallblöcke 32, 33, 34 zueinander identische Abmessungen und sind in Bezug auf eine Querrichtung Q der Entwärmungseinrichtung 2 mit jeweiligen Zwischenabständen in einer Reihe angeordnet. Der im Vergleich dazu größere Metallblock 31 ist davon in einer zu der Querrichtung Q senkrechten Längsrichtung L beabstandet. 1 zeigt, dass die seitlichen Mantelflächen 25 der Metallblöcke 31 - 34 in deren nahezu gesamten Höhe von einer ihnen gemeinsamen, elektrisch isolierenden Ummantelung 26 aus Kunststoff ummantelt sind. In zu den Stirnfläche 16, 17 senkrechten Querschnittsebenen ist der Querschnitt des er-sten Metallblockes 31 jeweils größer als der Querschnitt der übrigen Metallblöcke 32 - 34. 4 zeigt, dass die erste Stirnfläche 16 des ersten Metallblockes 31 und die flächenmäßige Ausdehnung der darauf gebildeten Lötzinnschicht 15 größer sind als die angrenzende Plattenfläche 19 der Metallplatte 13, die als sog. Heatslug an dem Gehäuse 4 befestigt ist.
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Ebenfalls aus 4 wird deutlich, dass ein Pin 22 des zweiten elektrischen Anschlusses 22, der an seinem freien Ende parallel zu der auf dem zweiten Metallblock 32 aufgebrachten Lötzinnschicht 15 abgewinkelt ist, mittels der Lötzinnschicht 15 auf der ihm zugewandten Stirnfläche 16 des zweiten Metallblocks 32 aufgelötet ist. In seiner entgegengesetzten Stirnfläche 17 ist der Metallblock 32 mittels der dort aufgebrachten Lötzinnschicht 15 auf der in 4 auch gezeigten, rechts neben der Lücke 9 verlaufenden Leiterbahn 8 aufgelötet.
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In dem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass alle Metallblöcke 31, 32, 33, 34 aus Kupfer bestehen.
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3 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Entwärmungsvorrichtung 2. Dabei sind zum Anschluss von zwei Halbleiterbauelementen 3 an eine Leiterplatte 5 zwei Metallblock-Gruppen, von denen jede die vier in den 1 und 2 gezeigten Metallblöcke 31 - 34 umfasst, von einer gemeinsamen isolierenden Ummantelung 26 ummantelt.
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Das in 5 gezeigte, zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement-Anordnung 1 unterscheidet sich von der Ausführungsform von 4 darin, dass nur der erste Metallblock 31 vorhanden ist. Die Metallblöcke 32 - 34 und die Ummantelung 26 sind nicht vorhanden. Der Metallblock 31 ist mittels der beiden von je einer Lötzinnschicht 15 gebildeten Lötverbindung 14 zwischen die Metallplatte 13 (Heatslug) des Gehäuses 4 und eine Leiterbahn 8 eingelötet und dadurch im thermischen Pfad zwischen das Halbleiterbauelement 3 und die Leiterplatte 5 zwischengeschaltet. Ein Pin 22' des zweiten elektrischen Anschlusses 22 des Halbleiterbauelements 3 wurde im Vergleich zu der Ausführungsform von 4 verlängert und ist an seinem freien, wieder abgewinkelten Längsende mittels einer von einer Lötzinnschicht 15 gebildeten Lötverbindung 14 auf eine Leiterbahn 8 aufgelötet, die mittels der Lücke 9 von der mit dem ersten elektrischen Anschluss 21 elektrisch verbundenen Leiterbahn 8 elektrisch entkoppelt ist. Wie in 4 sind ein Pin 23' eines dritten elektrischen Anschlusses 23 und ein Pin 24' eines vierten elektrischen Anschlusses 24 des Halbleiterbauelements von dem Pin 22' verdeckt, jedoch wie der Pin 22' in entsprechender Weise an weitere Leiterbahnen 8 aufgelötet.
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Die 6a und 6b zeigen ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement-Anordnung 1, wobei wiederum zu den vorangehenden Ausführungsformen entsprechend oder vergleichbare Einzelheiten mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. In die Leiterplatte 5 ist ein erster Metallkörper 27, davon seitlich beanstandet ein zweiter Metallkörper 28 und in Blickrichtung von 6a dahinter beabstandet ein dritter Metallkörper 29 eingelassen, so dass die jeweilige freiliegende Metalloberfläche in dem Beispiel bündig mit einer Oberseite der Leiterplatte 5 abschließt. Ein erster Metallblock 31, der wie die Metallkörper 27 - 30 aus Kupfer besteht, ist mittels einer aus einer Lötzinnschicht 15 gebildeten Lötverbindung 14 flächig auf den ersten Metallkörper 27 aufgelötet. Auf die entgegengesetzte Oberfläche des Metallkörpers 31 ist mittels einer von einer Lötzinnschicht 15 gebildeten weiteren Lötverbindung 14 wiederum ein in einem Gehäuse 4 aufgenommenes Halbleiterbauelement 3, bei dem es sich um ein Leistungs-Halbleiterbauelement handelt, aufgelötet. Dabei ist mit der Metallplatte 13, die an die Lötzinnschicht 15 angrenzt, wiederum ein erster elektrischer Kontakt 22 des Halbleiterbauelementes 3 angeschlossen. Wie dargestellt, ist der Wärmeleitquerschnitt der ersten Metallplatte 31 größer als derjenige der Metallplatte 13 (Heatslug), und der Wärmeleitquerschnitt des ersten Metallkörpers 27 ist größer als der Wärmeleitquerschnitt des ersten Metallblockes 31. Es wird somit eine mehrfache, d. h. additive Wärmespreizung erreicht. Der erste Metallkörper 27 kann in dem zugeordneten Hohlraum der Leiterplatte 5 zum Beispiel unter Verwendung von Masken galvanisch aus mehreren aufeinander aufgebrachten Kupferschichten gebildet worden sein. In dem Beispiel besitzt das Halbleiterbauelement 3 noch einen zweiten elektrischen Anschluss 2 und einen dritten elektrischen Anschluss 23, von denen jeweils Pins 22', 23' aus dem Gehäuse 4 herausführen. Die Pins 22' und 23' sind abgewinkelt. Dabei verläuft der Pin 22' an dem abgewinkelten Abschnitt durch eine in den zweiten Metallkörper 28 eingebrachte Durchgangsbohrung, mit deren Bohrungswandung der Pin 22' verlötet worden ist. Der Pin 23' ist auf entsprechende Weise durch eine Durchgangsbohrung in dem dritten Metallkörper 29 hindurchgeführt und mit dessen Wandung elektrisch leitfähig verlötet. In einer zu der Leiterplatte 5 senkrechten Betrachtungsebene ist somit die Dicke der Metallkörper 27 - 29 erheblich größer als die Dicke der Leiterbahnen 8. Dabei kann der erste Metallkörper 27 und/oder der zweite Metallkörper 28 und/oder der dritte Metallkörper 29 mit einer jeweiligen Leiterbahn 8 der Leiterplatte 5 (in 6 nicht mit dargestellt) elektrisch verbunden sein.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Ausführungsbeispielen und Patentansprüchen beinhaltet.
