EP2100331A1 - Electronic component module and method for the production thereof - Google Patents

Electronic component module and method for the production thereof

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EP2100331A1
EP2100331A1 EP06830230A EP06830230A EP2100331A1 EP 2100331 A1 EP2100331 A1 EP 2100331A1 EP 06830230 A EP06830230 A EP 06830230A EP 06830230 A EP06830230 A EP 06830230A EP 2100331 A1 EP2100331 A1 EP 2100331A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
composite layer
electronic component
component module
circuit carrier
ceramic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06830230A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Richard Matz
Ruth MÄNNER
Steffen Walter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an electronic component module having at least one multilayer circuit carrier, and a cooling device having at least one heat sink. Furthermore, the invention also relates to a method for producing such an electronic component module.
  • Electronic component modules with a plurality of multilayer circuit carriers are known. These are ⁇ example, by LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) is made, which is a powerful technology for the manufacture of ceramic circuit substrate of a plurality of individual layers.
  • LTCC Low Temperature Co-fired Ceramics
  • ceramic unsintered green sheets for the electrical feedthroughs are provided with openings by punching out, the openings are filled with electrically conductive paste and the sheets are provided with flat line structures on their surface by screen printing. Many of these individual layers may be finally laminated together and sintered at a relatively low temperature.
  • the process provides multi-layer, buried Lay ⁇ out structures, which can be used for the integration of passive circuit elements.
  • this layout structures can be created, which have very good high-frequency properties, hermetically sealed and have good thermal resistance.
  • the LTCC technology to ⁇ applications in hostile environments, such as sensors in high-frequency technology, for example in mobile communications and radar range, and in the power electronics, for example, in automotive electronics, the transmission and engine control is suitable.
  • Thermally demanding applications are often limited by rela tively ⁇ poor thermal conductivity of the material which typically has a thermal conductivity of 2 W / m K up.
  • active semiconductor devices which are generally part of such LTCC modules as surface mounted components
  • the mere mounting of the LTCC substrate on a heat sink is not sufficient.
  • An LTCC ceramic is compatible with silver metallization in the standard process.
  • a common solution for LTCC substrates is therefore the integration of thermal vias. These are vertical vias that are filled with silver-filled, conductive paste and are primarily used for heat dissipation. In this way, an average thermal conductivity of 20 W / m K is achievable. In combination with silver-filled foils values of 90 W / m K and 150 W / m K in the vertical or horizontal direction were made possible. This is from MA Zampino et al. : "LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger", Proc. Internat. Symp. On Microelectronics 2003, boarding school. Microelectronics and Packaging Society (IMAPS), 18-20 November 2003, Boston, USA.
  • IMAPS Microelectronics and Packaging Society
  • Another solution is to install high-loss semiconductor integrated circuit (IC) circuits, such as power amplifiers, in recesses of the LTCC board directly on the heat sink.
  • IC semiconductor integrated circuit
  • circuit substrate made of sintered alumina at about HOO 0 C directly with cooling copper foils for insectsinternde alumina ceramic of the so-called Direct Copper This is described in J. Schulz-Härder et al. : “Micro Channel water cooled power modules” and J. Schulz-Härder et al. "DBC substrates with integrated flat heat pipe", EMPC 2005, The 15th European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition, 12. - 15.06.2005, Bruges, Belgium, beschrie ⁇ ben.
  • the object of the invention is to provide an electronic component module and a method for producing such an electronic component module, in which highly heat-conductive substrates can be connected to a multilayer circuit carrier in a simple and low-cost manner and the heat dissipation can be improved.
  • An electronic component module comprises at least one multilayer ceramic circuit carrier and a cooling device with at least one heat sink. Between the ceramic circuit carrier and The cooling device is at least partially arranged ⁇ at least one composite layer which is formed for reak ⁇ tive connection, in particular for LTCC-reactive compound, with the ceramic circuit substrate during a primary process and for connection to the cooling device. Through this composite layer and into ⁇ particular their design a stable connection between the components of the component module can be achieved. In addition, the composite layer can be produced with little effort, since it connects reactively with the ceramic circuit carrier. The connection of the circuit carrier with the composite layer is thus automatically generated particularly during the actual process of together ⁇ menhegung of the ceramic circuit carrier with the cooling device.
  • the composite layer is reactively connectable to the circuit carrier by its material formation during a Primärprozes ⁇ ses.
  • a primary process is understood to mean a process which is carried out primarily for another composite production between components of the component module.
  • this composite is au ⁇ cally reactive produced in an LTCC process.
  • a separate downstream process step as is the case with non-reactive bonding, such as soldering or gluing, need not be carried out here. Under a reakti ⁇ ven connecting all processes thus be understood that produce a dual effect.
  • the primary effect of the process and on the other hand the connection of the composite layer to the circuit carrier.
  • the dual action therein ge ⁇ give, on the one hand, the individual layers of the Heidelbergungsträ ⁇ gers are connectable and, in addition to the invention according to the reactive bond between the composite layer and the circuit substrate is formed.
  • the composite layer is formed as LTCC-compatible reactive coating.
  • process in which actual LTCC can then also be achieved automatically that the ceramic circuit substrate with the composite layer is mecha nically connected ⁇ stable.
  • the mechanically stable connection with the cooling device is ensured.
  • the reactive connection can thus take place under the usual process conditions in an LTCC process for applying the circuit carrier to the cooling device.
  • the composite layer is formed over the entire area between the circuit carrier and the cooling device. This allows a particularly effective attachment and beyond optimal heat dissipation.
  • the cooling device is designed for lateral heat removal and the cooling body extends laterally beyond the dimensions of the circuit carrier at least on one side.
  • the lateraldeungskon ⁇ zept a more compact electronic component module can be formed, which nevertheless allows an improved heat dissipation.
  • the circuit carrier is designed as a ceramic LTCC circuit carrier and the composite layer for reactive Verbundermaschineung with the circuit carrier during the LTCC process for training is formed of the ceramic circuit carrier Bezie ⁇ hung example can be produced.
  • the composite layer for reactive Verbundermaschineung with the circuit carrier during the LTCC process for training is formed of the ceramic circuit carrier Bezie ⁇ hung example can be produced.
  • the composite layer is preferably formed at least as a single-layer, component-free and electrically conductive LTCC film.
  • the composite layer is thus provided as an intermediate film.
  • the composite ⁇ layer is attached with a particular individual intermediate foil in a sintering process under adapted conditions, in particular relating to the gas atmosphere and the temperature ⁇ profile. Pay particular attention vorgese ⁇ hen, bring this intermediate film to the cooling device ⁇ .
  • the composite layer may also be at least partially made of glass.
  • the composite layer is too ⁇ least proportionally formed from nanocrystalline material, insbeson ⁇ particular nanocrystalline alumina. It can also be provided that the composite layer is at least partially made of a ceramic material, in particular of silicon oxide and / or silicon nitride, is formed.
  • the composite layer may be formed at least partially from a reactive metal, in particular from titanium.
  • the composite between the circuit carrier and the composite layer by a sintering process at a temperature between 84O 0 C and 93O 0 C, in particular at about 900 0 C, is formed.
  • a sintering process at a temperature between 84O 0 C and 93O 0 C, in particular at about 900 0 C is formed.
  • an optimal design of the ceramic circuit substrate and ins ⁇ particular the composite between the individual layers can be ensured.
  • the reactive bond between the composite layer and the circuit carrier can be made possible with these optimized process conditions.
  • At least one ceramic multilayer circuit carrier is connected to at least one cooling device, which comprises at least one heat sink. Between the ceramic circuit carrier and the cooling device, a composite layer for connecting the components is at least partially formed. The composite layer is reactively connected to the circuit carrier during the connection process of the individual layers of the circuit substrate with this.
  • the circuit ⁇ carrier is formed as a ceramic LTCC circuit carrier and the composite layer is connected during the LTCC process with the circuit carrier.
  • the heat sink ceramic composite can thereby be achieved at relatively low temperatures, wherein preferably the cooling device is provided in an upstream process step for the design of the electronic component module with an LTCC-compatible reactive composite layer.
  • the LTCC multilayer and thus the LTCC circuit carrier under process conditions corresponding to the prepared surface is subsequently then be applied ⁇ , particularly sintered.
  • a composite layer at least one single-layer, component-free and line-free (without electrical lines) and also electrically insulating LTCC film is formed as an intermediate film in the form of a Gradientenfo ⁇ lie. It is preferably provided that the intermediate film is applied in a sintering process under adapted conditions. It may be provided that this takes place under nitrogen atmosphere with Argonzu ⁇ rate.
  • This procedure makes it possible that the adaptation of the process parameters, for example to achieve an optimal metal-ceramic composite, without regard to the standard conditions for the connection of the individual layers of the circuit substrate and in particular ⁇ special on the standard conditions of LTCC technology, can be done.
  • These standard conditions of the LTCC technology are determined by the presence of line structures made of silver-containing screen printing paste. par- In this case, the gas atmosphere is characterized by oxygen or air.
  • the functional LTCC films of the multilayer circuit substrate which have electronic components and integrated line structures, are laminated onto the intermediate film.
  • a sacrificial film made of alumina (Al2O3) is preferably additionally laminated on the upper side of the circuit carrier ⁇ and finally sintered in the so-called Zero-Shrinkage method.
  • the composite layer is at least partially formed of glass, in particular by screen printing is applied and then heat treated.
  • These Ausges- taltung allows optimum composite structure during the bonding process of the individual layers of the circuit ⁇ carrier.
  • the composite layer is applied to ⁇ least partially of nanocrystalline material is applied in particular by a screen printing method.
  • a nanocrystalline material is provided to the ⁇ special nanocrystalline alumina.
  • the sintering temperature decreases with decreasing grain size, nanocrystalline material opens up an LTCC-compatible process path.
  • the composite layer can also be formed at least on ⁇ part of a ceramic material, in particular of silicon oxide and / or silicon nitride.
  • this ceramic material is formed by a sputtering method. is brought, in particular sputtered onto the cooling device.
  • physical low Tempe ⁇ raturclar deposited ceramic layers serve as adhesion layers for the later applied LTCC ceramics.
  • the composite layer can also be formed at least on ⁇ piece by a coating with reactive metals, in particular titanium. These reactive metals are to be regarded as excellent adhesion promoters for metal contacts.
  • the composite layer can also be at least partially formed by re ⁇ active ion beam etching with oxygen who ⁇ .
  • the ion bombardment causes mixing of the metal surface, which leads to a graded metal-oxide transition.
  • prior sputtering for example of silicon, for example, creates a graded metal-metal oxide-silicon oxide transition as a basis for bonding with the LTCC ceramic.
  • the ceramic circuit substrate and the composite layer by sintering at a temperature between 84O 0 C and 93O 0 C, in particular at about 900 0 C, ⁇ connected to each other.
  • the cooling device and the heat sink can basically have any desired shape for the proposed production process.
  • an embodiment is advantageous as a laterally extended molded body of homogeneous thickness. This can be smaller in area, larger or congruent with the multilayer ceramic be schen circuit carrier.
  • a metallic element can be provided for the heat sink of the cooling device.
  • the heat sink may be formed of copper, which has a very high thermal conductivity of about 400 W / m K.
  • other metals with adapted thermal expansion coefficients are possible.
  • the LTCC ceramic can be mounted in the same thickness on both sides of the heat sink.
  • the process of the invention proves when an electronic component module to be manufactured, which has at least two
  • a multilayer system it is particularly difficult to be able to ensure a sufficient composite structure with conventional technology.
  • such a multi-layer system can be relatively easily and inexpensively generated and in particular the integral formation of several heat sinks are possible. For it is precisely in such complex structures that the bond between the circuit carriers and the composite layers, and thus also the heat sinks, can be made possible automatically during the lamination and sintering of the individual layers of these circuit carriers.
  • a purely passive cooling without moving substances phase boundaries or phase transitions he ⁇ ranges.
  • a significant platforms ⁇ tion of the thermal conductivity is possible. For example, this can be achieved by about 10 times over thermal vias when using copper-molybdenum-copper laminates.
  • a further increase in politicians ⁇ ability to up to 400 W / m K or higher can be made possible in the Ver ⁇ application of pure copper substrates, or composite materials, for example based on carbon nanofibers.
  • a stable ⁇ ler material composite can be made possible by alternating layers of elekt ⁇ -driven functional ceramics (ceramic circuit substrate), and high heat-conducting material.
  • elekt ⁇ -driven functional ceramics ceramic circuit substrate
  • a simple further processing by a complete Be ⁇ piece of the module and a defined interface to the environment can also be achieved.
  • For ceramic Single shear layer of the composite layer is achieved a high elekt ⁇ generic insulation with high thermal arrival coupling. Not least a efficien ⁇ te heat dissipation of buried components in the formwork can tung support structure, in particular the LTCC ceramic, are made possible.
  • FIGURE shows a sectional view through an inventive electronic component module according to ei ⁇ nem embodiment.
  • the electronic component module 1 comprises a first multilayer ceramic LTCC circuit carrier 2 and a second multilayer ceramic LTCC circuit carrier 3. These two circuit carriers 2 and 3 are arranged on opposite sides of a heat sink 4, which is associated with a cooling device. In execution ⁇ example of the cooling body 4 is thus arranged integrally in the e- lektronischen component module 1 between the two circuit boards 2 and 3.
  • FIG. The heat sink 4 extends on both sides in the lateral direction (x-direction) beyond the dimensions of the LTCC circuit carriers 2 and 3.
  • bores 41 and 42 are formed in the heat sink 4, which are provided for attachment, in particular screw, with other components or a housing.
  • a first composite layer 5 is as well as the bond between the second composite layer 6 and the second circuit carrier 3 is formed.
  • the composite layers 5 and 6 are each formed over the entire surface between the heat sink 4 and the respective circuit carrier 2 and 3. In addition, these composite layers 5 and 6 extend in a lateral direction substantially over the entire surface of the heat sink 4. It can also be provided that the composite layers 5 and 6 are each formed only area ⁇ wise. In particular, the composite ⁇ layers 5 and 6 are formed at those points where due to the arrangement of electronic components in the respective circuit carriers 2 and 3, the largest heat generation takes place. By such a targeted local formation of the composite layers 5 and 6, a best possible heat dissipation can take place. This heat removal takes place laterally in the embodiment shown.
  • the electronic component module 1 shown in the figure is prepared so that initially applied to the heat sink 4 on both sides, the composite layers 5 and 6 who ⁇ . Depending on how these composite layers are to be formed, various configurations may be provided. These are mentioned in the general part of the description. In principle, any combination of the different embodiments of a composite layer mentioned there may also be provided.

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Abstract

The invention relates to an electronic component module with at least one multi-layer ceramic circuit carrier (2, 3) and at least one cooling device comprising at least one cooling body (4). A composite layer (5, 6) is arranged at least in some regions between the ceramic circuit carrier (2, 3) and the cooling device (4). Said composite layer is designed for a reactive connection with the ceramic circuit carrier (2, 3) during a primary process and for connection with the cooling device (4). The invention also relates to a method for the production of said electronic component module.

Description

Beschreibung description
Elektronisches Bauelementmodul und Verfahren zu dessen HerstellungElectronic component module and method for its production
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelementmodul mit zumindest einem mehrlagigen Schaltungsträger, und einer Kühlungsvorrichtung mit zumindest einem Kühlkörper. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen elektronischen Bauelementmoduls .The invention relates to an electronic component module having at least one multilayer circuit carrier, and a cooling device having at least one heat sink. Furthermore, the invention also relates to a method for producing such an electronic component module.
Stand der TechnikState of the art
Elektronische Bauelementmodule mit mehreren mehrlagigen Schaltungsträgern sind bekannt. Diese werden beispiels¬ weise durch die LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) gefertigt, welche eine leistungsfähige Technologie zur Herstellung keramischer Schaltungsträger aus mehreren Einzellagen darstellt. Dafür werden keramische ungesinterte Grünfolien für die elektrischen Durchkontaktierun- gen durch Ausstanzen mit Öffnungen versehen, die Öffnun- gen werden mit elektrisch leitfähiger Paste gefüllt und die Folien werden auf ihrer Oberfläche im Siebdruckverfahren mit ebenen Leitungsstrukturen versehen. Zahlreiche dieser einzelnen Lagen können abschließend aufeinander laminiert und bei relativ niedriger Temperatur gesintert werden. Der Prozess liefert mehrlagige, vergrabene Lay¬ out-Strukturen, die sich für die Integration passiver Schaltungselemente nutzen lassen. Darüber hinaus können dadurch Layout-Strukturen geschaffen werden, welche sehr gute Hochfrequenzeigenschaften besitzen, hermetisch ver- siegelt sind und gute thermische Beständigkeit besitzen. Mit diesen Eigenschaften ist die LTCC-Technologie für An¬ wendungen in widriger Umgebung, beispielsweise für Sensoren, in der Hochfrequenztechnik, beispielsweise im Mobilfunk und Radarbereich, und in der Leistungselektronik, beispielsweise in der Fahrzeugelektronik, der Getriebe- und Motorsteuerung, geeignet. Thermisch anspruchsvolle Anwendungen sind jedoch häufig eingeschränkt durch rela¬ tiv schlechte Wärmeleitfähigkeit des Materials, welches typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit von 2 W/m K auf- weist. Für die Kühlung aktiver Halbleiterbauelemente, die im Allgemeinen als oberflächenmontierte Bauteile Teil von derartigen LTCC-Modulen sind, reicht die bloße Montage des LTCC-Substrates auf einem Kühlkörper nicht aus. Ins¬ besondere ein Auflöten oder Aufkleben eines LTCC- Substrates auf einen Kühlkörper, wie dies in J. Schulz- Härder et al . : "Micro Channel water cooled power modu- les", Seiten 1 bis 6, PCIM 2000 Nürnberg, beschrieben ist, reicht nicht aus.Electronic component modules with a plurality of multilayer circuit carriers are known. These are ¬ example, by LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) is made, which is a powerful technology for the manufacture of ceramic circuit substrate of a plurality of individual layers. For this, ceramic unsintered green sheets for the electrical feedthroughs are provided with openings by punching out, the openings are filled with electrically conductive paste and the sheets are provided with flat line structures on their surface by screen printing. Many of these individual layers may be finally laminated together and sintered at a relatively low temperature. The process provides multi-layer, buried Lay ¬ out structures, which can be used for the integration of passive circuit elements. In addition, this layout structures can be created, which have very good high-frequency properties, hermetically sealed and have good thermal resistance. With these properties, the LTCC technology to ¬ applications in hostile environments, such as sensors in high-frequency technology, for example in mobile communications and radar range, and in the power electronics, for example, in automotive electronics, the transmission and engine control is suitable. Thermally demanding applications, however, are often limited by rela tively ¬ poor thermal conductivity of the material which typically has a thermal conductivity of 2 W / m K up. For the cooling of active semiconductor devices, which are generally part of such LTCC modules as surface mounted components, the mere mounting of the LTCC substrate on a heat sink is not sufficient. Ins ¬ particular soldering or gluing an LTCC substrate on a heat sink, as described in J. Schulz- Harder et al. : "Micro Channel water cooled power modu- les", pages 1 to 6, PCIM 2000 Nuremberg, is not sufficient.
Eine LTCC-Keramik ist im Standardprozess mit Silber- Metallisierung kompatibel. Eine übliche Lösung für LTCC- Substrate ist deshalb die Integration thermischer Vias. Dies sind vertikale Durchkontaktierungen, die mit silbergefüllter, leitfähiger Paste gefüllt sind und primär der Entwärmung dienen. Auf diese Weise ist eine mittlere Wär- meleitfähigkeit von 20 W/m K erreichbar. In Kombination mit silbergefüllten Folien wurden Werte von 90 W/m K und 150 W/m K in vertikaler beziehungsweise horizontaler Richtung ermöglicht. Dies ist aus M. A. Zampino et al . : "LTCC Substrates with internal cooling Channel and heat exchanger", Proc. Internat. Symp. on Microelectronics 2003, Internat. Microelectronics and Packaging Society (IMAPS), 18. - 20.11.2003, Boston, USA offenbart.An LTCC ceramic is compatible with silver metallization in the standard process. A common solution for LTCC substrates is therefore the integration of thermal vias. These are vertical vias that are filled with silver-filled, conductive paste and are primarily used for heat dissipation. In this way, an average thermal conductivity of 20 W / m K is achievable. In combination with silver-filled foils values of 90 W / m K and 150 W / m K in the vertical or horizontal direction were made possible. This is from MA Zampino et al. : "LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger", Proc. Internat. Symp. On Microelectronics 2003, boarding school. Microelectronics and Packaging Society (IMAPS), 18-20 November 2003, Boston, USA.
Eine weitere Lösung ist die Montage von Halbleiter-ICs (integrated circuits) mit hoher Verlustwärme, beispiels- weise Leistungsverstärker, in Aussparungen der LTCC- Platine direkt auf der Wärmesenke.Another solution is to install high-loss semiconductor integrated circuit (IC) circuits, such as power amplifiers, in recesses of the LTCC board directly on the heat sink.
Weiterhin sind Lösungen bekannt, welche auf der Integra¬ tion von flüssigkeitsgefüllten Kanälen basieren. Dabei erfolgt die Kühlung durch Konvektion einer Flüssigkeit mit hoher Wärmekapazität, beispielsweise Wasser, wie dies in dem oben genannten Stand der Technik gemäß J. Schulz- Härder et al . : "Micro Channel water cooled power modu- les", und des Weiteren in M. A. Zampino et al . : "Embedded heat pipes with MCM-C Technology", Proc. NEPCON West 1998 Conference Vol. 2, Reed Exhibition: Norwalk, CT USA 1998, Seiten 777 - 785, Vol. 2, (Conf. Anaheim, USA, 1. - 5.03.1998) beschrieben ist.Further solutions are known which are based on the Integra ¬ tion of liquid-filled channels. The cooling is carried out by convection of a liquid with high heat capacity, such as water, as described in the above-mentioned prior art according to J. Schulz- Härder et al. : "Micro Channel Water Cooled Power Modules", and further in MA Zampino et al. : "Embedded heat pipes with MCM-C Technology", Proc. NEPCON West 1998 Conference Vol. 2, Reed Exhibition: Norwalk, CT USA 1998, pages 777-785, Vol. 2, (Conf. Anaheim, USA, 1-5.03.1998).
Eine darauf aufbauende Lösung nützt für den Wärmetrans¬ port nicht die Wärmekapazität der Kühlflüssigkeit, son- dern die latente Wärme eines Phasenübergangs. Dies ist im oben genannten Stand der Technik gemäß M. A. Zampino et al . : " LTCC Substrates with internal cooling Channel and heat exchanger" und in W. K. Jones et al . : "Thermal man- agement in low temperature cofire ceramic (LTCC) using high density thermal vias and micro heat pipes/spreaders", Proc. Internat. Symp. on Microelectron¬ ics 2002, Internat. Microelectronics and Packaging Soci¬ ety (IMAPS), 10. - 13.03.2002, Reno, USA beschrieben ist. Die dort erläuterten „heat pipes" werden nach dem Stand der Technik beispielsweise für die Kühlung von Prozesso- - A -Based upon this solution does not use the heat capacity of the cooling liquid for the heat trans ¬ port, special countries the latent heat of a phase transition. This is in the above-mentioned prior art according to MA Zampino et al. : "LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger" and WK Jones et al. : "Thermal management in low temperature cofire ceramic (LTCC) using high density thermal vias and microheat pipes / spreaders", Proc. Internat. Symp. On Micro Electron ics ¬ 2002, Internat. Microelectronics and Packaging Soci ety ¬ (IMAPS), 10. - 13.03.2002, Reno, United States described. The "heat pipes" explained there are, according to the state of the art, for example, for the cooling of process pipelines. - A -
ren in kompakten Rechnern, wie beispielsweise Laptops, verwendet .used in compact computers, such as laptops.
Neben diesen für LTCC geeigneten Verfahren ist für hochsinternde Aluminiumoxid-Keramik der so genannte Direct Copper Bond-Prozess geeignet und weit verbreitet, um Schaltungsträger aus gesintertem Aluminiumoxid bei etwa HOO0C direkt mit Kühlfolien aus Kupfer zu verbinden. Dies ist in J. Schulz-Härder et al . : "Micro Channel water cooled power modules" und J. Schulz-Härder et al . : "DBC Substrate with integrated flat heat pipe", EMPC 2005, The 15th European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition, 12. - 15.06.2005, Brügge, Belgien, beschrie¬ ben .In addition to these suitable for LTCC process bonding process is suitable and widely used to connect circuit substrate made of sintered alumina at about HOO 0 C directly with cooling copper foils for hochsinternde alumina ceramic of the so-called Direct Copper. This is described in J. Schulz-Härder et al. : "Micro Channel water cooled power modules" and J. Schulz-Härder et al. "DBC substrates with integrated flat heat pipe", EMPC 2005, The 15th European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition, 12. - 15.06.2005, Bruges, Belgium, beschrie ¬ ben.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektroni- sches Bauelementmodul und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen elektronischen Bauelementmoduls zu schaffen, bei dem hochwärmeleitfähige Substrate einfach und aufwandsarm mit einem mehrlagigen Schaltungsträger stabil verbunden werden können und die Wärmeabfuhr ver- bessert werden kann.The object of the invention is to provide an electronic component module and a method for producing such an electronic component module, in which highly heat-conductive substrates can be connected to a multilayer circuit carrier in a simple and low-cost manner and the heat dissipation can be improved.
Diese Aufgabe wird durch ein elektronisches Bauelementmo¬ dul, welches die Merkmale nach Patentanspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Patentanspruch 12 aufweist, gelöst.This object is achieved by an electronic component module having the features according to claim 1, and a method having the features according to claim 12.
Ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelementmodul um- fasst zumindest einen mehrlagigen keramischen Schaltungsträger und eine Kühlungsvorrichtung mit zumindest einem Kühlkörper. Zwischen dem keramischen Schaltungsträger und der Kühlungsvorrichtung ist zumindest bereichsweise zu¬ mindest eine Verbundschicht angeordnet, welche zur reak¬ tiven Verbindung, insbesondere zur LTCC-reaktiven Verbindung, mit dem keramischen Schaltungsträger während eines Primärprozesses und zur Verbindung mit der Kühlvorrichtung ausgebildet ist. Durch diese Verbundschicht und ins¬ besondere deren Ausgestaltung kann eine stabile Verbindung zwischen den Komponenten des Bauelementmoduls erreicht werden. Darüber hinaus kann die Verbundschicht aufwandsarm erzeugt werden, da sie sich reaktiv mit dem keramischen Schaltungsträger verbindet. Die Verbindung des Schaltungsträgers mit dieser Verbundschicht ist somit insbesondere während dem eigentlichen Prozess der Zusam¬ menfügung des keramischen Schaltungsträgers mit der Kühl- Vorrichtung automatisch erzeugbar. Die Verbundschicht ist durch ihre Materialausbildung während eines Primärprozes¬ ses reaktiv mit dem Schaltungsträger stabil verbindbar. Unter einem Primärprozess wird ein Prozess verstanden, welcher primär für eine andere Verbundherstellung zwi- sehen Komponenten des Bauelementmoduls durchgeführt wird. Insbesondere ist dieser Verbund in einem LTCC-Prozess au¬ tomatisch reaktiv erzeugbar. Ein separater nachgeschalteter Verfahrensschritt wie dies durch ein nicht-reaktives Verbinden wie beim Löten oder Kleben der Fall ist, muss hier nicht mehr durchgeführt werden. Unter einem reakti¬ ven Verbinden werden somit alle Prozesse verstanden, welche eine duale Wirkung erzeugen. Einerseits die primäre Wirkung durch den Prozess und andererseits das Verbinden der Verbundschicht mit dem Schaltungsträger. Bei einem bevorzugten LTCC-Prozess ist die duale Wirkung darin ge¬ geben, dass einerseits die Einzellagen des Schaltungsträ¬ gers verbindbar sind und zusätzlich erfindungsgemäß der reaktive Verbund zwischen der Verbundschicht und dem Schaltungsträger ausbildbar ist.An electronic component module according to the invention comprises at least one multilayer ceramic circuit carrier and a cooling device with at least one heat sink. Between the ceramic circuit carrier and The cooling device is at least partially arranged ¬ at least one composite layer which is formed for reak ¬ tive connection, in particular for LTCC-reactive compound, with the ceramic circuit substrate during a primary process and for connection to the cooling device. Through this composite layer and into ¬ particular their design a stable connection between the components of the component module can be achieved. In addition, the composite layer can be produced with little effort, since it connects reactively with the ceramic circuit carrier. The connection of the circuit carrier with the composite layer is thus automatically generated particularly during the actual process of together ¬ menfügung of the ceramic circuit carrier with the cooling device. The composite layer is reactively connectable to the circuit carrier by its material formation during a Primärprozes ¬ ses. A primary process is understood to mean a process which is carried out primarily for another composite production between components of the component module. In particular, this composite is au ¬ cally reactive produced in an LTCC process. A separate downstream process step, as is the case with non-reactive bonding, such as soldering or gluing, need not be carried out here. Under a reakti ¬ ven connecting all processes thus be understood that produce a dual effect. On the one hand the primary effect of the process and on the other hand the connection of the composite layer to the circuit carrier. In a preferred LTCC process, the dual action therein ge ¬ give, on the one hand, the individual layers of the Schaltungsträ ¬ gers are connectable and, in addition to the invention according to the reactive bond between the composite layer and the circuit substrate is formed.
Insbesondere dann, wenn der Schaltungsträger als LTCC- Schaltungsträger ausgebildet ist, ist die Verbundschicht als LTCC-taugliche reaktive Beschichtung ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung kann bei dem eigentlichen LTCC- Prozess dann auch erreicht werden, dass automatisch der keramische Schaltungsträger mit der Verbundschicht mecha¬ nisch stabil verbunden wird. Darüber hinaus ist auch die mechanisch stabile Verbindung mit der Kühlvorrichtung gewährleistet .In particular, when the circuit carrier is designed as LTCC circuit carrier, the composite layer is formed as LTCC-compatible reactive coating. In this embodiment, process in which actual LTCC can then also be achieved automatically that the ceramic circuit substrate with the composite layer is mecha nically connected ¬ stable. In addition, the mechanically stable connection with the cooling device is ensured.
Die reaktive Verbindung kann somit unter den üblichen Prozessbedingungen bei einem LTCC-Prozess zum Aufbringen des Schaltungsträgers auf die Kühlvorrichtung erfolgen.The reactive connection can thus take place under the usual process conditions in an LTCC process for applying the circuit carrier to the cooling device.
Bevorzugt ist die Verbundschicht vollflächig zwischen dem Schaltungsträger und der Kühlungsvorrichtung ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders effektive Befestigung und darüber hinaus auch eine optimale Wärmeabfuhr.Preferably, the composite layer is formed over the entire area between the circuit carrier and the cooling device. This allows a particularly effective attachment and beyond optimal heat dissipation.
Bevorzugt ist die Kühlungsvorrichtung zur lateralen Wär- meabfuhr ausgebildet und der Kühlkörper erstreckt sich zumindest an einer Seite lateral über die Ausmaße des Schaltungsträgers hinaus. Durch das laterale Kühlungskon¬ zept kann ein kompakteres elektronisches Bauelementmodul ausgebildet werden, welches dennoch eine verbesserte Wär- meabfuhr ermöglicht.Preferably, the cooling device is designed for lateral heat removal and the cooling body extends laterally beyond the dimensions of the circuit carrier at least on one side. The lateral Kühlungskon ¬ zept a more compact electronic component module can be formed, which nevertheless allows an improved heat dissipation.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Schaltungsträger als keramischer LTCC-Schaltungsträger ausgebildet ist und die Verbundschicht zur reaktiven Verbunderzeugung mit dem Schaltungsträger während dem LTCC-Prozess zur Ausbildung des keramischen Schaltungsträgers ausgebildet ist bezie¬ hungsweise erzeugbar ist. Durch diese Ausgestaltung kann erreicht werden, dass praktisch während dem LTCC- Verfahren, bei dem die Einzellagen aufeinander laminiert werden und bei entsprechender Temperatur gesintert werden, automatisch erzeugbar ist. Im wesentlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik muss somit nicht in einem dem LTCC-Prozess nachgeschalteten weiteren Fertigungsverfahren, beispielsweise durch ein Hartlöten, die Verbin- düng erzeugt werden, sondern diese kann im Wesentlichen zeitgleich oder zumindest zeitweise überlappend mit dem verbindenden Herstellen der Einzellagen des Schaltungsträgers erfolgen.It is particularly preferred if the circuit carrier is designed as a ceramic LTCC circuit carrier and the composite layer for reactive Verbunderzeugung with the circuit carrier during the LTCC process for training is formed of the ceramic circuit carrier Bezie ¬ hung example can be produced. As a result of this configuration, it is possible to produce automatically during the LTCC process, in which the individual layers are laminated on one another and are sintered at the appropriate temperature. Substantially advantage over the prior art therefore does not have to be produced in a further production process connected downstream of the LTCC process, for example by brazing, but it can essentially overlap at the same time or at least temporarily with the interconnecting production of the individual layers Circuit carrier done.
Die Verbundschicht ist in bevorzugter Weise zumindest als einlagige, bauelementfreie und elektrisch leitungsfreie LTCC-Folie ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung ist die Verbundschicht somit als Zwischenfolie bereitgestellt. Insbesondere kann dann vorgesehen sein, dass die Verbund¬ schicht mit einer insbesondere einzelnen Zwischenfolie in einem Sinterprozess unter angepassten Bedingungen, insbesondere betreffend die Gas-Atmosphäre und das Temperatur¬ profil, angebracht wird. Insbesondere ist dabei vorgese¬ hen, diese Zwischenfolie auf die Kühlungsvorrichtung auf¬ zubringen .The composite layer is preferably formed at least as a single-layer, component-free and electrically conductive LTCC film. In this embodiment, the composite layer is thus provided as an intermediate film. In particular, can then be provided that the composite ¬ layer is attached with a particular individual intermediate foil in a sintering process under adapted conditions, in particular relating to the gas atmosphere and the temperature ¬ profile. Pay particular attention vorgese ¬ hen, bring this intermediate film to the cooling device ¬.
Die Verbundschicht kann auch zumindest anteilig aus Glas ausgebildet sein.The composite layer may also be at least partially made of glass.
Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Verbundschicht zu¬ mindest anteilig aus nanokristallinem Material, insbeson¬ dere nanokristallinem Aluminiumoxid, ausgebildet ist. E- benso kann vorgesehen sein, dass die Verbundschicht zu- mindest anteilig aus einem Keramikmaterial, insbesondere aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid, ausgebildet ist .Likewise, it can be provided that the composite layer is too ¬ least proportionally formed from nanocrystalline material, insbeson ¬ particular nanocrystalline alumina. It can also be provided that the composite layer is at least partially made of a ceramic material, in particular of silicon oxide and / or silicon nitride, is formed.
Die Verbundschicht kann zumindest anteilig aus einem re- aktiven Metall, insbesondere aus Titan, ausgebildet sein.The composite layer may be formed at least partially from a reactive metal, in particular from titanium.
Besonders bevorzugt erweist es sich, wenn der Verbund zwischen dem Schaltungsträger und der Verbundschicht durch einen Sinterprozess bei einer Temperatur zwischen 84O0C und 93O0C, insbesondere bei etwa 9000C, ausgebildet ist. Bei diesen Prozessbedingungen kann auch eine optimale Ausbildung des keramischen Schaltungsträgers und ins¬ besondere der Verbund zwischen den Einzellagen gewährleistet werden. Gleichzeitig kann bei diesen optimierten Prozessbedingungen dann auch der reaktive Verbund zwi- sehen der Verbundschicht und dem Schaltungsträger ermöglicht werden.It is particularly preferred if the composite between the circuit carrier and the composite layer by a sintering process at a temperature between 84O 0 C and 93O 0 C, in particular at about 900 0 C, is formed. In these process conditions, an optimal design of the ceramic circuit substrate and ins ¬ particular the composite between the individual layers can be ensured. At the same time, the reactive bond between the composite layer and the circuit carrier can be made possible with these optimized process conditions.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelementmoduls wird zumindest ein keramischer mehrlagiger Schaltungsträger mit zumindest einer Kühlungsvorrichtung, welche zumindest einen Kühlkörper umfasst, verbunden. Zwischen dem keramischen Schaltungsträger und der Kühlungsvorrichtung wird zumindest bereichsweise eine Verbundschicht zum Verbinden der Komponenten ausgebildet. Die Verbundschicht wird reaktiv mit dem Schaltungsträger während dem Verbindungsprozess der Einzellagen des Schaltungsträgers mit diesem verbunden. Durch dieses Herstellungsverfahren kann eine deutliche verbesserte Verbundstruktur geschaffen werden, welche fertigungstechnisch wesentlich weniger aufwendig reali- siert werden kann. Besonders bevorzugt erweist es sich, wenn der Schaltungs¬ träger als keramischer LTCC-Schaltungsträger ausgebildet wird und die Verbundschicht während des LTCC-Prozesses mit dem Schaltungsträger verbunden wird. Der Kühlkörper- Keramik-Verbund kann dadurch bei relativ niedrigen Temperaturen erzielt werden, wobei in bevorzugter Weise die Kühlungsvorrichtung in einem vorgeschalteten Prozessschritt zur Ausgestaltung des elektronischen Bauelementmoduls mit einer LTCC-tauglichen reaktiven Verbundschicht versehen wird. Anschließend wird dann das LTCC-Multilayer und somit der LTCC-Schaltungsträger unter entsprechenden Prozessbedingungen auf die präparierte Oberfläche aufge¬ bracht, insbesondere aufgesintert .In a method according to the invention for producing an electronic component module, at least one ceramic multilayer circuit carrier is connected to at least one cooling device, which comprises at least one heat sink. Between the ceramic circuit carrier and the cooling device, a composite layer for connecting the components is at least partially formed. The composite layer is reactively connected to the circuit carrier during the connection process of the individual layers of the circuit substrate with this. By this manufacturing method, a significantly improved composite structure can be created, which can be realized much less expensive manufacturing technology. It is particularly preferred if the circuit ¬ carrier is formed as a ceramic LTCC circuit carrier and the composite layer is connected during the LTCC process with the circuit carrier. The heat sink ceramic composite can thereby be achieved at relatively low temperatures, wherein preferably the cooling device is provided in an upstream process step for the design of the electronic component module with an LTCC-compatible reactive composite layer. The LTCC multilayer and thus the LTCC circuit carrier under process conditions corresponding to the prepared surface is subsequently then be applied ¬, particularly sintered.
In vorteilhafter Weise wird als Verbundschicht zumindest eine einlagige, bauelementfreie und leitungsfreie (ohne elektrische Leitungen) und auch elektrisch isolierende LTCC-Folie als Zwischenfolie in Form einer Gradientenfo¬ lie ausgebildet. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Zwischenfolie in einem Sinterprozess unter angepassten Bedingungen aufgebracht wird. Es kann dabei vorgesehen sein, dass dies unter Stickstoffatmosphäre mit Argonzu¬ satz erfolgt. Durch diese Vorgehensweise wird ermöglicht, dass die Anpassung der Prozessparameter, beispielsweise zur Erzielung eines optimalen Metall-Keramik-Verbundes, ohne Rücksicht auf die Standardbedingungen für die Verbindung der Einzellagen des Schaltungsträgers und insbe¬ sondere auf die Standardbedingungen der LTCC-Technologie, erfolgen kann. Diese Standardbedingungen der LTCC- Technologie sind durch die Gegenwart von Leitungsstruktu- ren aus silberhaltiger Siebdruckpaste bestimmt. Insbeson- dere ist dabei die Gasatmosphäre durch Sauerstoff oder Luft gekennzeichnet.Advantageously, as a composite layer at least one single-layer, component-free and line-free (without electrical lines) and also electrically insulating LTCC film is formed as an intermediate film in the form of a Gradientenfo ¬ lie. It is preferably provided that the intermediate film is applied in a sintering process under adapted conditions. It may be provided that this takes place under nitrogen atmosphere with Argonzu ¬ rate. This procedure makes it possible that the adaptation of the process parameters, for example to achieve an optimal metal-ceramic composite, without regard to the standard conditions for the connection of the individual layers of the circuit substrate and in particular ¬ special on the standard conditions of LTCC technology, can be done. These standard conditions of the LTCC technology are determined by the presence of line structures made of silver-containing screen printing paste. par- In this case, the gas atmosphere is characterized by oxygen or air.
Die funktionellen LTCC-Folien des mehrlagigen Schaltungsträgers, welche elektronische Bauteile und integrierte Leitungsstrukturen aufweisen, werden auf die Zwischenfolie auflaminiert . Um die xy-Schwindung der funktionellen Schichten zu vermeiden, wird bevorzugterweise zusätzlich eine Opferfolie aus Aluminiumoxid (AI2O3) auf die Ober¬ seite des Schaltungsträgers auflaminiert und schließlich im so genannten Zero-Shrinkage Verfahren gesintert.The functional LTCC films of the multilayer circuit substrate, which have electronic components and integrated line structures, are laminated onto the intermediate film. In order to avoid the xy shrinkage of the functional layers, a sacrificial film made of alumina (Al2O3) is preferably additionally laminated on the upper side of the circuit carrier ¬ and finally sintered in the so-called Zero-Shrinkage method.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Verbundschicht zumindest anteilig aus Glas ausgebildet wird, insbesondere durch einen Siebdruck aufgebracht wird und anschließend temperaturbehandelt wird. Auch diese Ausges- taltung ermöglicht eine optimale Verbundstruktur während des Verbindungsprozesses der Einzellagen des Schaltungs¬ trägers .In addition, it may be provided that the composite layer is at least partially formed of glass, in particular by screen printing is applied and then heat treated. These Ausges- taltung allows optimum composite structure during the bonding process of the individual layers of the circuit ¬ carrier.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Verbundschicht zu¬ mindest anteilig aus nanokristallinem Material aufge- bracht wird, insbesondere durch ein Siebdruckverfahren aufgebracht wird. Als nanokristallines Material ist ins¬ besondere nanokristallines Aluminiumoxid vorgesehen. Da die Sintertemperatur mit abnehmender Korngröße abnimmt, eröffnet nanokristallines Material einen LTCC-kompatiblen Prozesspfad.It may be also provided that the composite layer is applied to ¬ least partially of nanocrystalline material is applied in particular by a screen printing method. As a nanocrystalline material is provided to the ¬ special nanocrystalline alumina. As the sintering temperature decreases with decreasing grain size, nanocrystalline material opens up an LTCC-compatible process path.
Darüber hinaus kann die Verbundschicht auch zumindest an¬ teilig aus einem keramischen Material, insbesondere aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid, ausgebildet werden. Bei dieser Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die- ses keramische Material durch ein Sputterverfahren aufge- bracht wird, insbesondere auf die Kühlungsvorrichtung aufgesputtert wird. Die durch physikalische Niedertempe¬ raturverfahren abgeschiedenen keramischen Schichten dienen als Haftschichten für die später aufgebrachte LTCC- Keramik.In addition, the composite layer can also be formed at least on ¬ part of a ceramic material, in particular of silicon oxide and / or silicon nitride. In this embodiment, it can be provided that this ceramic material is formed by a sputtering method. is brought, in particular sputtered onto the cooling device. By physical low Tempe ¬ raturverfahren deposited ceramic layers serve as adhesion layers for the later applied LTCC ceramics.
Darüber hinaus kann die Verbundschicht auch zumindest an¬ teilig durch eine Beschichtung mit reaktiven Metallen, insbesondere Titan, ausgebildet werden. Diese reaktiven Metalle sind als hervorragende Haftvermittler für Metall- kontakte anzusehen.In addition, the composite layer can also be formed at least on ¬ piece by a coating with reactive metals, in particular titanium. These reactive metals are to be regarded as excellent adhesion promoters for metal contacts.
Die Verbundschicht kann auch zumindest anteilig durch re¬ aktives Ionenstrahlätzen mit Sauerstoff ausgebildet wer¬ den. Durch den Ionenbeschuss findet eine Durchmischung der Metalloberfläche statt, die zu einem gradierten Me- tall-Oxid-Übergang führt. Durch vorheriges Aufsputtern, beispielsweise von Silizium, entsteht beispielsweise ein gradierter Metall-Metalloxid-Siliziumoxid-Übergang als Basis für den Verbund mit der LTCC-Keramik .The composite layer can also be at least partially formed by re ¬ active ion beam etching with oxygen who ¬ . The ion bombardment causes mixing of the metal surface, which leads to a graded metal-oxide transition. By prior sputtering, for example of silicon, for example, creates a graded metal-metal oxide-silicon oxide transition as a basis for bonding with the LTCC ceramic.
Bevorzugt werden der keramische Schaltungsträger und die Verbundschicht durch Sintern bei einer Temperatur zwischen 84O0C und 93O0C, insbesondere bei etwa 9000C, mit¬ einander verbunden.Preferably, the ceramic circuit substrate and the composite layer by sintering at a temperature between 84O 0 C and 93O 0 C, in particular at about 900 0 C, ¬ connected to each other.
Erfindungsgemäß werden somit prozesstechnische Lösungen zur Integration von hochwärmeleitfähigen Kühlkörpern in LTCC vorgeschlagen. Die Kühlvorrichtung und der Kühlkörper können für den vorgeschlagenen Herstellungsprozess grundsätzlich eine beliebige Form haben. Vorteilhaft ist jedoch eine Ausgestaltung als lateral ausgedehnter Formkörper homogener Dicke. Dieser kann flächenmäßig kleiner, größer oder deckungsgleich mit dem mehrlagigen kerami- schen Schaltungsträger sein. Bevorzugt kann für den Kühlkörper der Kühlungsvorrichtung ein metallisches Element vorgesehen sein. Insbesondere kann der Kühlkörper aus Kupfer ausgebildet sein, welches eine sehr hohe Wärme- leitfähigkeit von etwa 400 W/m K aufweist. Je nach Di¬ ckenverhältnis von dem mehrlagigen Schaltungsträger zu dem Kühlkörper sind jedoch auch andere Metalle mit ange- passten thermischen Ausdehnungskoeffizienten möglich. Beispielsweise können auch Kupfer-Molybdän- Verbundmetalle, deren Wärmeleitfähigkeiten im Bereich von etwa 200 W/m K liegen, verwendet werden. Zum Ausgleich geringfügig unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten kann die LTCC-Keramik in gleicher Stärke auf beiden Seiten des Kühlkörpers angebracht werden.Thus, according to the invention, process engineering solutions for the integration of highly heat-conductive heat sinks in LTCC are proposed. The cooling device and the heat sink can basically have any desired shape for the proposed production process. However, an embodiment is advantageous as a laterally extended molded body of homogeneous thickness. This can be smaller in area, larger or congruent with the multilayer ceramic be schen circuit carrier. Preferably, a metallic element can be provided for the heat sink of the cooling device. In particular, the heat sink may be formed of copper, which has a very high thermal conductivity of about 400 W / m K. Depending on the Di ¬ ckenverhältnis of the multilayer circuit carrier to the heat sink, however, other metals with adapted thermal expansion coefficients are possible. For example, copper-molybdenum composite metals whose thermal conductivities are in the range of about 200 W / m K can also be used. To compensate for slightly different coefficients of expansion, the LTCC ceramic can be mounted in the same thickness on both sides of the heat sink.
Besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn ein elektronisches Bauelementmodul hergestellt werden soll, welches zumindest zwei mehrlagi¬ ge Schaltungsträger und eine Mehrzahl und somit zumindest zwei integrierte Kühlkörper aufweist. Besonders bei einem derartigen mehrschichtigen System ist es besonders schwierig mit herkömmlicher Technik eine ausreichende Verbundstruktur gewährleisten zu können. Insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch ein derartig mehrschichtiges System relativ einfach und aufwandsarm erzeugt werden und insbesondere die integrale Ausbildung von mehreren Kühlkörpern ermöglicht werden. Denn gerade bei derartig komplexen Strukturen kann der Verbund zwischen den Schaltungsträgern und den Verbundschichten und somit auch den Kühlkörpern automatisch während dem Lami- nieren und Sintern der Einzellagen dieser Schaltungsträger ermöglicht werden. Es muss somit nicht mehr in auf- wendiger und kostenintensiver Weise im Nachgang zu diesem Herstellen der keramischen Schaltungsträger ein jeweils separates Anbringen, beispielsweise durch löten oder kle¬ ben, durchgeführt werden. Insbesondere bei integrierten Kühlkörpern kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine erhebliche Erleichterung in der Herstellung ermöglicht werden .Particularly advantageously, the process of the invention proves when an electronic component module to be manufactured, which has at least two mehrlagi ¬ ge circuit carrier and a plurality, and thus at least two integrated heat sink. Especially with such a multilayer system, it is particularly difficult to be able to ensure a sufficient composite structure with conventional technology. In particular, with the method according to the invention, such a multi-layer system can be relatively easily and inexpensively generated and in particular the integral formation of several heat sinks are possible. For it is precisely in such complex structures that the bond between the circuit carriers and the composite layers, and thus also the heat sinks, can be made possible automatically during the lamination and sintering of the individual layers of these circuit carriers. It no longer has to be in agile and costly manner in the wake of this production of the ceramic circuit substrate each separate attachment, for example by soldering or kle ¬ ben, are performed. In particular, in the case of integrated heat sinks, the process according to the invention makes it possible to achieve considerable ease of manufacture.
Darüber hinaus kann bei dem elektronischen Bauelementmodul gemäß der Erfindung eine rein passive Entwärmung ohne bewegliche Stoffe, Phasengrenzen oder Phasenübergänge er¬ reicht werden. Darüber hinaus ist eine erhebliche Steige¬ rung der Wärmeleitfähigkeit möglich. Beispielsweise kann diese um etwa das Zehnfache gegenüber thermischen Vias bei der Verwendung von Kupfer-Molybdän-Kupferlaminaten erreicht werden. Eine weitere Steigerung der Wärmeleitfä¬ higkeit auf bis zu 400 W/m K und höher kann bei der Ver¬ wendung von reinen Kupfer-Substraten oder Verbundwerkstoffen, beispielsweise auf Basis von Karbon-Nanofasern ermöglicht werden.In addition, in the electronic component module according to the invention, a purely passive cooling without moving substances, phase boundaries or phase transitions he ¬ ranges. In addition, a significant platforms ¬ tion of the thermal conductivity is possible. For example, this can be achieved by about 10 times over thermal vias when using copper-molybdenum-copper laminates. A further increase in Wärmeleitfä ¬ ability to up to 400 W / m K or higher can be made possible in the Ver ¬ application of pure copper substrates, or composite materials, for example based on carbon nanofibers.
Neben einer hohen Wärmeleitfähigkeit kann auch ein stabi¬ ler Materialverbund durch alternierende Lagen aus elekt¬ rischer Funktionskeramik (keramische Schaltungsträger) und hoch wärmeleitendem Werkstoff ermöglicht werden. Ins¬ besondere dann, wenn ein Kühlkörper mit lateral größeren Ausmaßen als ein Schaltungsträger ausgebildet wird, kann auch eine einfache Montage durch Schrauben im Bereich des überstehenden Kühlkörpers ermöglicht werden.In addition to high thermal conductivity, a stable ¬ ler material composite can be made possible by alternating layers of elekt ¬-driven functional ceramics (ceramic circuit substrate), and high heat-conducting material. Ins ¬ particular, when a heat sink is formed with laterally larger dimensions than a circuit substrate, a simple assembly by screws in the region of the protruding heat sink can be made possible.
Eine einfache Weiterbearbeitung durch eine komplette Be¬ stückung des Moduls und einer definierten Schnittstelle zur Umgebung kann ebenfalls erreicht werden. Bei kerami- scher Einzellage der Verbundschicht wird eine hohe elekt¬ rische Isolation bei gleichzeitig hoher thermischer An- kopplung erreicht. Nicht zuletzt kann auch eine effizien¬ te Entwärmung von vergrabenen Bauteilen in der Schal- tungsträgerstruktur, insbesondere der LTCC-Keramik, ermöglicht werden.A simple further processing by a complete Be ¬ piece of the module and a defined interface to the environment can also be achieved. For ceramic Single shear layer of the composite layer is achieved a high elekt ¬ generic insulation with high thermal arrival coupling. Not least a efficien ¬ te heat dissipation of buried components in the formwork can tung support structure, in particular the LTCC ceramic, are made possible.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an¬ hand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine Schnittdarstellung durch ein er- findungsgemäßes elektronisches Bauelementmodul gemäß ei¬ nem Ausführungsbeispiel.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a schematic drawing. The single FIGURE shows a sectional view through an inventive electronic component module according to ei ¬ nem embodiment.
Das elektronische Bauelementmodul 1 umfasst einen ersten mehrlagigen keramischen LTCC-Schaltungsträger 2 und einen zweiten mehrlagigen keramischen LTCC-Schaltungsträger 3. Diese beiden Schaltungsträger 2 und 3 sind an gegenüberliegenden Seiten eines Kühlkörpers 4 angeordnet, welcher einer Kühlungsvorrichtung zugeordnet ist. Im Ausführungs¬ beispiel ist der Kühlkörper 4 somit integral in dem e- lektronischen Bauelementmodul 1 zwischen den beiden Schaltungsträgern 2 und 3 angeordnet. Der Kühlkörper 4 erstreckt sich in lateraler Richtung (x-Richtung) beidseitig über die Ausmaße der LTCC-Schaltungsträger 2 und 3 hinaus. Darüber hinaus sind Bohrungen 41 und 42 in dem Kühlkörper 4 ausgebildet, welche zur Befestigung, insbe- sondere Verschraubung, mit weiteren Komponenten oder einem Gehäuse vorgesehen sind.The electronic component module 1 comprises a first multilayer ceramic LTCC circuit carrier 2 and a second multilayer ceramic LTCC circuit carrier 3. These two circuit carriers 2 and 3 are arranged on opposite sides of a heat sink 4, which is associated with a cooling device. In execution ¬ example of the cooling body 4 is thus arranged integrally in the e- lektronischen component module 1 between the two circuit boards 2 and 3. FIG. The heat sink 4 extends on both sides in the lateral direction (x-direction) beyond the dimensions of the LTCC circuit carriers 2 and 3. In addition, bores 41 and 42 are formed in the heat sink 4, which are provided for attachment, in particular screw, with other components or a housing.
Zwischen dem oberen LTCC-Schaltungsträger 2 und dem Kühlkörper 4, welcher im Ausführungsbeispiel aus Kupfer aus- gebildet ist, ist eine erste Verbundschicht 5 ausgebil¬ det, welche diesen ersten Schaltungsträger 2 mit dem Kühlkörper 4 mechanisch stabil verbindet. In entsprechender Weise ist zwischen dem Kühlkörper 4 und dem zweiten LTCC-Schaltungsträger 3 ebenfalls eine Verbundschicht 6 ausgebildet. Beide Verbundschichten 5 und 6 sind zur re¬ aktiven Verbindung mit den keramischen LTCC- Schaltungsträgern 2 und 3 ausgebildet. Dies bedeutet, dass während des LTCC-Prozesses zum Verbinden der jewei- ligen Einzellagen der Schaltungsträger 2 und 3 auch der Verbund zwischen der Verbundschicht 5 und dem ersten Schaltungsträger 2 sowie der Verbund zwischen der zweiten Verbundschicht 6 und dem zweiten Schaltungsträger 3 ausgebildet wird.Between the upper LTCC circuit carrier 2 and the heat sink 4, which in the exemplary embodiment is made of copper is formed, a first composite layer 5 is ausgebil ¬ det, which connects this first circuit substrate 2 with the heat sink 4 mechanically stable. In a corresponding manner, a composite layer 6 is likewise formed between the heat sink 4 and the second LTCC circuit carrier 3. Both composite layers 5 and 6 are designed for re ¬ active connection with the ceramic LTCC circuit carriers 2 and 3. This means that during the LTCC process for connecting the respective individual layers of the circuit carriers 2 and 3, the bond between the composite layer 5 and the first circuit carrier 2 as well as the bond between the second composite layer 6 and the second circuit carrier 3 is formed.
Im Ausführungsbeispiel sind die Verbundschichten 5 und 6 jeweils vollflächig zwischen dem Kühlkörper 4 und dem jeweiligen Schaltungsträger 2 und 3 ausgebildet. Darüber hinaus erstrecken sich diese Verbundschichten 5 und 6 in lateraler Richtung im Wesentlichen über die gesamte Ober- fläche des Kühlkörpers 4. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Verbundschichten 5 und 6 jeweils nur bereichs¬ weise ausgebildet sind. Insbesondere sind die Verbund¬ schichten 5 und 6 an denjenigen Stellen ausgebildet, an denen aufgrund der Anordnung von elektronischen Bauteilen in den jeweiligen Schaltungsträgern 2 und 3 die größte Wärmeerzeugung erfolgt. Durch eine derartige zielgerichtete örtliche Ausbildung der Verbundschichten 5 und 6 kann auch dann ein bestmöglicher Wärmeabtransport erfolgen. Dieser Wärmeabtransport erfolgt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel lateral. Das in der Figur gezeigte elektronische Bauelementmodul 1 wird so hergestellt, dass zunächst auf den Kühlkörper 4 beidseitig die Verbundschichten 5 und 6 aufgebracht wer¬ den. Abhängig davon, wie diese Verbundschichten ausgebil- det werden sollen, können verschiedene Ausgestaltungen vorgesehen sein. Diese sind im allgemeinen Teil der Beschreibung genannt. Prinzipiell kann auch eine beliebige Kombination der dort genannten verschiedenen Ausführungen einer Verbundschicht vorgesehen sein.In the exemplary embodiment, the composite layers 5 and 6 are each formed over the entire surface between the heat sink 4 and the respective circuit carrier 2 and 3. In addition, these composite layers 5 and 6 extend in a lateral direction substantially over the entire surface of the heat sink 4. It can also be provided that the composite layers 5 and 6 are each formed only area ¬ wise. In particular, the composite ¬ layers 5 and 6 are formed at those points where due to the arrangement of electronic components in the respective circuit carriers 2 and 3, the largest heat generation takes place. By such a targeted local formation of the composite layers 5 and 6, a best possible heat dissipation can take place. This heat removal takes place laterally in the embodiment shown. The electronic component module 1 shown in the figure is prepared so that initially applied to the heat sink 4 on both sides, the composite layers 5 and 6 who ¬. Depending on how these composite layers are to be formed, various configurations may be provided. These are mentioned in the general part of the description. In principle, any combination of the different embodiments of a composite layer mentioned there may also be provided.
Nachdem diese Verbundschichten 5 und 6 auf dem Kühlkörper 4 aufgebracht wurden, wird im Nachfolgenden eine Ausbil¬ dung der mehrlagigen Schaltungsträger 2 und 3 in einem LTCC-Verfahren erzeugt. Gleichzeitig wird bei diesem Ver¬ fahren, bei dem die Einzellagen der Schaltungsträger 2 und 3 aufeinander auflaminiert und danach bei einer Temperatur von etwa 9000C gesintert werden, auch der Verbund zwischen der Verbundschicht 5 und dem Schaltungsträger 2 einerseits und der Verbundschicht 6 und dem zweiten Schaltungsträger 3 andererseits reaktiv ausgebildet.After these composite layers 5 and 6 have been applied to the heat sink 4, a Ausbil ¬ tion of the multilayer circuit substrate 2 and 3 is generated in an LTCC process hereinafter. At the same time, in this method , in which the individual layers of the circuit carriers 2 and 3 are laminated on one another and then sintered at a temperature of about 900 ° C., the bond between the composite layer 5 and the circuit carrier 2 on the one hand and the composite layer 6 and the second circuit carrier 3 on the other hand formed reactive.
Mit der Fertigstellung der Schaltungsträger 2 und 3 durch den LTCC-Prozess wird gemäß der Erfindung auch bereits das vollständige elektronische Bauelementmodul 1 und ins¬ besondere der Verbund zwischen den Verbundschichten 5 und 6 und den Schaltungsträgern 2 beziehungsweise 3 vollstän- dig ausgebildet. The completion of the circuit substrate 2 and 3 by the LTCC process already complete electronic component module 1 and into ¬ particular of the bond between the composite layers 5 and 6 and the circuit carriers is formed completeness dig 2 and 3 according to the invention.

Claims

Ansprüche claims
1. Elektronisches Bauelementmodul mit zumindest einem mehrlagigen keramischen Schaltungsträger (2, 3) und zumindest einer Kühlungsvorrichtung mit zumindest einem Kühlkörper (4), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem keramischen Schaltungsträger (2, 3) und der Kühlungsvorrichtung (4) zumindest bereichsweise eine Verbundschicht (5, 6) angeordnet ist, welche zur reaktiven Verbindung mit dem keramischen Schal- tungsträger (2, 3) während eines Primärprozesses und zur Verbindung mit der KühlungsVorrichtung (4) ausgebildet ist.1. Electronic component module having at least one multilayer ceramic circuit carrier (2, 3) and at least one cooling device with at least one heat sink (4), characterized in that between the ceramic circuit substrate (2, 3) and the cooling device (4) at least partially a composite layer (5, 6), which is designed for reactive connection with the ceramic circuit carrier (2, 3) during a primary process and for connection to the cooling device (4).
2. Elektronisches Bauelementmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) vollflächig zwischen dem Schaltungsträger (2, 3) und der Kühlungsvorrichtung (4) ausgebildet ist.2. Electronic component module according to claim 1, characterized in that the composite layer (5, 6) over the entire surface between the circuit carrier (2, 3) and the cooling device (4) is formed.
3. Elektronisches Bauelementmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlungsvorrichtung zur lateralen Wärmeabfuhr ausgebildet ist und sich der Kühlkörper (4) zumindest an einer Seite lateral über die Ausmaße des Schal- tungsträgers (2, 3) hinaus erstreckt.3. Electronic component module according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling device is designed for lateral heat dissipation and the heat sink (4) extends laterally at least on one side beyond the dimensions of the circuit carrier (2, 3).
4. Elektronisches Bauelementmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärprozess ein LTCC-Prozess zur Verbindung der Einzellagen des keramischen Schaltungsträgers (2, 3) ist .4. Electronic component module according to one of the preceding claims, characterized in that the primary process is an LTCC process for connecting the individual layers of the ceramic circuit substrate (2, 3).
5. Elektronisches Bauelementmodul nach einem der vorher- gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest als einlagige, bauelementfreie und leitungsfreie LTCC-Folie ausgebildet ist.5. Electronic component module according to one of the preceding claims, characterized in that the composite layer (5, 6) is formed at least as a single-layer, component-free and line-free LTCC film.
6. Elektronisches Bauelementmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest anteilig aus Glas ausgebildet ist.6. Electronic component module according to one of the preceding claims, characterized in that the composite layer (5, 6) is formed at least partially made of glass.
7. Elektronisches Bauelementmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest anteilig aus na- nokristallinem Material, insbesondere nanokristalli- nem Aluminiumoxid, ausgebildet ist.7. Electronic component module according to one of the preceding claims, characterized in that the composite layer (5, 6) at least partially from nanocrystalline material, in particular nanocrystalline alumina, is formed.
8. Elektronisches Bauelementmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest anteilig aus Ke- ramikmaterial, insbesondere Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid, ausgebildet ist.8. Electronic component module according to one of the preceding claims, characterized in that the composite layer (5, 6) at least partially from ceramic material, in particular silicon oxide and / or silicon nitride, is formed.
9. Elektronisches Bauelementmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, W9. Electronic component module according to one of the preceding claims, W
-19- dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest anteilig aus einem reaktiven Metall, insbesondere Titan, ausgebildet ist.Characterized in that the composite layer (5, 6) at least partially made of a reactive metal, in particular titanium, is formed.
10. Elektronisches Bauelementmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund zwischen dem Schaltungsträger (2, 3) und der Verbundschicht (5, β) durch einen Sinterprozess bei einer Temperatur zwischen 8400C und 93O0C, insbesondere bei etwa 9000C, ausgebildet ist.10. Electronic component module according to one of the preceding claims, characterized in that the composite between the circuit carrier (2, 3) and the composite layer (5, β) by a sintering process at a temperature between 840 0 C and 93O 0 C, in particular at about 900 0 C, is formed.
11. Elektronisches Bauelementmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Kühlungsvorrichtung (4) integral zwischen zwei mehrlagigen Schaltungsträgern (2, 3) ausgebildet ist.11. Electronic component module according to one of the preceding claims, characterized in that at least one cooling device (4) is formed integrally between two multi-layer circuit carriers (2, 3).
12. Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Bauelementmoduls (1) bei dem zumindest ein keramischer mehrlagiger Schaltungsträger (2, 3) mit einer Kühlungsvorrichtung mit zumindest einem Kühlkörper (4) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem keramischen Schaltungsträger (2, 3) und der Kühlungsvorrichtung (4) zumindest bereichsweise eine Verbundschicht (5, 6) zum Verbinden der Komponenten (2, 3, 4) ausgebildet wird, wobei die Verbundschicht (5, 6) reaktiv mit dem Schaltungsträger (2, 3) während eines Primärprozesses, insbesondere während dem Verbindungsprozess der Einzellagen des Schaltungsträgers (2, 3), verbunden wird.12. A method for producing an electronic component module (1) in which at least one ceramic multilayer circuit carrier (2, 3) with a cooling device with at least one heat sink (4) is connected, characterized in that between the ceramic circuit substrate (2, 3) and the cooling device (4) at least partially a composite layer (5, 6) for connecting the components (2, 3, 4) is formed, wherein the composite layer (5, 6) reactive with the circuit carrier (2, 3) during a primary process, in particular during the connection process of the individual layers of the circuit substrate (2, 3) is connected.
13. Verfahren nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger als keramischer LTCC- Schaltungsträger (2, 3) ausgebildet wird und die Verbundschicht (5, 6) während einem LTCC-Prozess als Primärprozess mit dem Schaltungsträger (2, 3) verbun- den wird.13. The method according to claim 12, characterized in that the circuit carrier is formed as a ceramic LTCC circuit carrier (2, 3) and the composite layer (5, 6) during an LTCC process as a primary process with the circuit carrier (2, 3) connected. that will.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) vor dem Ausbilden des mehrlagigen Schaltungsträgers (2, 3) an der Kühlungsvor- richtung (4) ausgebildet wird.14. The method according to claim 12 or 13, characterized in that the composite layer (5, 6) before forming the multilayer circuit substrate (2, 3) on the Kühlungsvor- direction (4) is formed.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbundschicht (5, 6) zumindest eine einlagige, bauelementfreie und leitungsfreie LTCC-Folie ausge- bildet wird.15. The method according to any one of claims 12 to 14, characterized in that at least one single-layer, component-free and line-free LTCC film is formed as a composite layer (5, 6).
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest anteilig aus Glas ausgebildet wird, insbesondere durch einen Siebdruck aufgebracht wird und anschließend temperaturbehandelt wird.16. The method according to any one of claims 12 to 15, characterized in that the composite layer (5, 6) is at least partially formed of glass, in particular by a screen printing is applied and then heat treated.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest anteilig aus na- nokristallinem Material ausgebildet wird, und insbesondere durch einen Siebdruck aufgebracht wird.17. The method according to any one of claims 12 to 16, characterized in that the composite layer (5, 6) is formed at least partially from nanocrystalline material, and in particular is applied by screen printing.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest anteilig aus einem keramischen Material, insbesondere Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid, ausgebildet und in einem Niedertemperaturverfahren aufgesputtert wird.18. The method according to any one of claims 12 to 17, characterized in that the composite layer (5, 6) at least partially made of a ceramic material, in particular silicon oxide and / or silicon nitride, formed and sputtered in a low-temperature process.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest anteilig durch eine Beschichtung mit reaktiven Metallen, insbesondere Titan, ausgebildet wird.19. The method according to any one of claims 12 to 18, characterized in that the composite layer (5, 6) at least partially by a coating of reactive metals, in particular titanium, is formed.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (5, 6) zumindest anteilig durch reaktives Ionenstrahlätzen mit Sauerstoff des metallisch ausgebildeten Kühlkörpers (4) erzeugt wird.20. The method according to any one of claims 12 to 19, characterized in that the composite layer (5, 6) is generated at least partially by reactive ion beam etching with oxygen of the metallic heat sink (4).
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ionenstrahlätzen Silizium aufgesputtert wird.21. The method according to claim 20, characterized in that before the ion beam etching silicon is sputtered.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger (2, 3) und die Verbundschicht (5, 6) durch Sintern bei einer Temperatur zwischen 84O0C und 93O0C, insbesondere bei etwa 900°C, verbunden werden. 22. The method according to any one of claims 12 to 21, characterized in that the circuit carrier (2, 3) and the composite layer (5, 6) by sintering at a temperature between 84O 0 C and 93O 0 C, in particular at about 900 ° C. , get connected.
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