DE10129006A1 - Elektronische Baugruppe - Google Patents

Elektronische Baugruppe

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine einfache und kostengünstige Anordnung der elektronischen Baugruppe mit Bondverbindungen zur elektrischen Kontaktierung mindestens eines auf einem Trägerkörper aufgebrachten elektronischen Bauteils und/oder einer auf dem Trägerkörper aufgebrachten Leitbahnstruktur und/oder von Anschlußkontakten, die einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten. DOLLAR A Hierzu ist zumindest ein Teil der Bondverbindungen durch eine Isolationsschicht aufweisende Bonddrähte gebildet. DOLLAR A Elektronische Baugruppen als Startergenerator eines Elektrofahrzeugs.

Description

  • In vielen Bereichen werden elektronische Baugruppen für unterschiedliche Aufgaben und Anwendungen eingesetzt, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich zur Steuerung und/oder Regelung fahrspezifischer Vorgänge oder Abläufe. Die elektronischen Bauteile der elektronischen Baugruppe sind auf einem eine Leitbahnstruktur aufweisenden Trägerkörper angeordnet und mit der Leitbahnstruktur und/oder mit Anschlußkontakten elektrisch leitend verbunden (kontaktiert), wozu oftmals mittels Drahtbonden (Bonden) hergestellte Bondverbindungen verwendet werden. Insbesondere bei hohe Spannungen verarbeitenden elektronischen Baugruppen muß ein bestimmter Mindestabstand zwischen den Bonddrähten als Isolationsabstand eingehalten werden, insbesondere zwischen Bonddrähten, die ein unterschiedliches Potential aufweisen. Insbesondere bei hohe Ströme verarbeitenden elektronischen Baugruppen darf die Länge der Bonddrähte einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten, da ansonsten die Gefahr der Überhitzung der Bonddrähte und damit der thermischen Zerstörung der mittels der Bonddrähte kontaktierten elektronischen Bauteile besteht. Hieraus ergibt sich zum einen ein erhöhter Aufwand bei der Herstellung der elektronischen Baugruppe; zum andern resultieren Probleme beim (entweder bei der Herstellung der elektronischen Baugruppe oder im Betrieb der elektronischen Baugruppe erfolgenden) Kontakt von Bonddrähten, da dann entweder ein aufwendiges Nacharbeiten erforderlich ist oder aber die Funktionsfähigkeit der elektronischen Baugruppe beeinträchtigt wird (hierdurch wird die Störanfälligkeit bzw. Ausfallrate der elektronischen Bauteile und damit der elektronischen Baugruppe erhöht).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Baugruppe mit einem einfachen Aufbau, einer einfachen Fertigung, geringen Kosten, einer hohen Zuverlässigkeit und vorteilhaften Eigenschaften bezüglich der elektrischen Verbindung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch das Merkmal im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil der übrigen Patentansprüche.
  • Zur Realisierung zumindest eines Teils der Bondverbindungen innerhalb der elektronischen Baugruppe (diese werden je nach Dicke der Bonddrähte entweder als Dünndrahtbondverbindungen oder als Dickdrahtbondverbindungen bezeichnet) werden erfindungsgemäß mit einer Isolationsschicht versehene Bonddrähte eingesetzt. Als Material der Isolationsschicht sind insbesondere Polymere (Kunststoffe) vorgesehen; insbesondere wird das Material der Isolationsschicht unterschiedlich vom Basismaterial des Bonddrahts gewählt (üblicherweise wird als Basismaterial der Bonddrähte für Dünndrahtbondverbindungen Gold und für Dickdrahtbondverbindungen Aluminium verwendet). Die Dicke der Isolationsschicht wird anhand der gewünschten bzw. geforderten Isolationseigenschaften und abhängig von der Dicke der Bonddrähte gewählt (Dicke der Bonddrähte für Dünndrahtbondverbindungen bsp. im Bereich von 25 µm bis 50 µm, für Dickdrahtbondverbindungen bsp. im Bereich von 150 µm bis 500 µm); bsp. wird die Isolationsschicht mit einer Dicke im Bereich von ca. 5 µm bis ca. 50 µm gewählt. Die Isolationsschicht kann als Überzug entweder bereits bei der Fertigung des Bonddrahts auf das Basismaterial des Bonddrahts aufgebracht werden und somit bereits fertig konfektioniert für das Bonden (den Bondvorgang) zur Verfügung stehen oder unmittelbar vor dem Bonden (d. h. kurz vor dem Bondvorgang bzw. beim Bondvorgang selbst) mittels einer geeigneten Vorrichtung auf das Material des Bonddrahts aufgebracht werden (bsp. durch Sprühen oder Tauchen).
  • Zur Herstellung der isolierten Bondverbindungen werden die auf einer Trägervorrichtung (bsp. einer endlos gewickelten Haspel) aufgebrachten Bonddrähte einer Bondvorrichtung (einem Bonder) zugeführt und ggf. dort mit der Isolationsschicht versehen. Im Bonder wird die Isolationsschicht an den zur Kontaktierung vorgesehenen Kontaktierungsstellen des Bonddrahts entfernt, d. h. eine Abisolierung der Isolationsschicht an diesen Kontaktierungsstellen vorgenommen; diese Abisolierung kann je nach verwendeter Isolationsschicht unterschiedlich erfolgen, bsp. durch mechanisches Abtragen der Isolationsschicht (bsp. mittels einer im Sonder integrierten Abisoliervorrichtung) oder durch thermisches Abtragen der Isolationsschicht, bsp. durch Rückschrumpfung des Materials der Isolationsschicht (bsp. auf induktivem Wege mittels einer Heizspule oder mittels eines Laserstrahls). Die abisolierte Kontaktierungsstelle des Bonddrahts wird mit dem zu kontaktierenden Anschluß der elektronischen Baugruppe verbunden, vorzugsweise verschweißt; insbesondere können mittels der isolierten Bondverbindungen die Anschlüsse der elektronischen Bauteile der elektronischen Baugruppe und/oder die zur Realisierung von Anschlußflächen (Anschlußpads) der Leitbahnstruktur und/oder die zur Realisierung von (für die externe Kontaktierung der elektronischen Baugruppe vorgesehenen Anschlußkontakte) der elektronischen Baugruppe (an diese Anschlußkontakte können Anschlußstecker zur Verbindung mit weiteren elektronischen Baugruppen und/oder Versorgungsleitungen als Leitungsschienen zur Spannungsversorgung bzw. Stromversorgung angeschlossen werden) elektrisch leitend verbunden (elektrisch kontaktiert) werden. D. h. mittels der isolierten Bondverbindungen können insbesondere zumindest teilweise die elektronischen Bauteile der elektronischen Baugruppe untereinander und/oder mit den Anschlußflächen und/oder mit den Anschlußkontakten elektrisch leitend verbunden (elektrisch kontaktiert) werden; weiterhin können mittels der isolierten Bondverbindungen zumindest teilweise auch die Anschlußflächen und/oder die Anschlußkontakte miteinander und/oder untereinander und/oder verschiedene Leitbahnebenen bei einer Mehrebenenverdrahtung der Leitbahnstruktur elektrisch leitend verbunden (elektrisch kontaktiert) werden. Vorzugsweise werden solche Anschlüsse der elektronischen Baugruppen mittels der isolierten Bondverbindungen kontaktiert, die hohe Ströme führen. Die (von der Isolationsschicht befreiten) Kontaktierungsstellen der Bonddrähte können durch Umhüllen mit einer geeigneten Schutzschicht geschützt werden, insbesondere durch eine Vergußmasse, bsp. einem Gel; hierbei müssen lediglich die Kontaktierungsstellen der Bonddrähte geschützt werden, d. h. die eine Isolationsschicht aufweisenden Bonddrähte müssen nicht auf ihrer ganzen Länge mit der Schutzschicht versehen werden.
  • Der Trägerkörper für die (elektronischen Bauteile der) elektronischen Baugruppe besteht üblicherweise aus einem isolierendem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus einem keramischen Material (bsp. aus Aluminiumoxid Al2O3 oder Aluminiumnitrid AlN). Der Trägerkörper (Keramikträger) kann je nach abzuführender Verlustleistung der elektronischen Bauteile der elektronischen Baugruppe auf einem Kühlkörper aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet werden und/oder mit einem Kühlmittel (Kühlmedium) in Verbindung stehen; zur Realisierung eines guten Wärmeübergangs können die Bonddrähte entweder direkt an den Kühlkörper angebunden werden, bsp. direkt auf dem Kühlkörper aufliegen oder mittels eines geeigneten Materials mit hoher thermischer Leitfähigkeit (bsp. einem Wärmeleitkleber) auf den Kühlkörper aufgebracht werden, oder aber vom Kühlmittel direkt umspült werden. Die (metallische) Leitbahnstruktur mit Leiterbahnen, Aufnahmeflächen für die elektronischen Bauteile und Anschlußflächen kann entweder nur auf die Oberseite des Trägerkörpers oder auf beide Seiten des Trägerkörpers (sowohl auf die Oberseite als auch auf die Unterseite des Trägerkörpers) oder in mehreren Schichten des Trägerkörpers (verschiedene Leitbahnebenen bei einer Mehrebenenverdrahtung) aufgebracht werden. Die Schaltungsanordnung für die elektronischen Bauteile der elektronischen Baugruppe ist bsp. als Hybridschaltung ausgebildet, wobei die elektronischen Bauteile der elektronischen Baugruppe bsp. in Form von Silizium-Chips auf die hierfür vorgesehenen Aufnahmeflächen der Leitbahnstruktur aufgebracht werden (bsp. mittels Weichlot oder durch Aufpressen). Weiterhin werden die Anschlußflächen der Leitbahnstruktur mit den (bsp. als Stanzgitteranschlüsse eines Stanzgitters ausgebildeten) Anschlußkontakten verbunden, die bsp. in Anschlußstecker zusammengefaßt zur (externen) Verbindung der elektronischen Baugruppe mit weiteren Baugruppen oder Bauteilen dienen oder bsp. an Versorgungleitungen angeschlossen zur Verbindung der elektronischen Baugruppe mit einer externen Spannungsquelle bzw. Stromquelle dienen. Auf den Trägerkörper kann ein (bsp. aus Kunststoff) bestehender Gehäusekörper aufgesetzt werden, der zum Schutz gegen Umwelteinflüsse zumindest die Schaltungsanordnung mit deren elektronischen Bauteilen umschließt.
  • Die elektronische Baugruppe vereinigt aufgrund der mittels der isolierten Bondverbindungen erfolgenden Kontaktierung zumindest eines Teils der Anschlüsse der elektronischen Baugruppe mehrere Vorteile in sich:
    • - Es werden hochspannungsfeste Bondverbindungen gewährleistet, die einen geringen Mindestabstand zwischen den beiden zur Spannungsversorgung der elektronischen Baugruppe vorgesehenen internen Versorgungsleitungen der elektronischen Baugruppe zuläßt (geringe Luft- und Kriechstrecken), so daß die Fläche des Trägerkörpers für die elektronischen Bauteile der elektronischen Baugruppe gering gehalten werden kann.
    • - Bei der Herstellung der elektronischen Baugruppe und im Betrieb der elektronischen Baugruppe können sich Bonddrähte (auch mit unterschiedlichem Potential) berühren, so daß Beschädigungen der Bonddrähte und damit der Bondverbindungen und hierdurch bedingt Erfordernisse zum Nacharbeiten und/oder Ausfälle verringert werden.
    • - Da nur die Kontaktierungsstellen der Bonddrähte mit einer zusätzlichen (teuren) Schutzschicht versehen werden, ist zum einen der Herstellungsaufwand gering, zum andern ist eine Kostenersparnis gegenüber einer vollständigen Bedeckung der Bonddrähte mit einer Schutzschicht gegeben.
    • - Die Länge der Bonddrähte kann für die Bondverbindungen beliebig gewählt werden, insbesondere bei einer direkten thermischen Anbindung der Bonddrähte an einen Kühlkörper oder ein Kühlmedium.
  • Insgesamt können somit Beeinträchtigungen der Funktionsweise der elektronischen Baugruppe vermieden werden, so daß ein zuverlässiger Betrieb der elektronischen Baugruppe mit geringem Herstellungsaufwand und geringen Kosten gewährleistet wird.
  • Im Zusammenhang mit der Zeichnung (Fig. 1 bis 2) soll die elektronische Baugruppe anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.
  • Fig. 1 zeigt eine Schnittzeichnung der elektronischen Baugruppe,
  • Fig. 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der elektronischen Baugruppe mit Gehäusekörper.
  • Die elektronische Baugruppe 1 ist bsp. als gekühlter Umrichter für den Startergenerator zur Realisierung des Fahrantriebs (Elektroantriebs) von Kraftfahrzeugen ausgebildet.
  • Der Umrichter 1 besteht aus folgenden Komponenten:
    • - Einem bsp. als Keramiksubstrat ausgebildeten Trägerkörper 4, der bsp. aus Al2O3 besteht; bsp. besitzt der Trägerkörper 4 die Abmessungen von 50 mm × 15 mm × 0.635 mm.
    • - Der Trägerkörper 4 ist in einen Gehäusekörper 3 eingebracht, der in einem eine spezielle Formgebung aufweisenden Teilbereich 7 von einem Kühlmedium 2 (bsp. Wasser) umflossen wird. Der Gehäusekörper 3 besteht bsp. aus Kunststoff, bsp. aus Polybutylenterephthalat (PBT) oder aus Polyamid (PA) und besitzt bsp. die Abmessungen von 55 mm × 20 mm × 15 mm.
    • - Auf dem Trägerkörper 4 ist eine elektronische Bauteile 5 aufweisende, als Hybridschaltung ausgebildete Schaltungsanordnung 6 angeordnet, die zur Realisierung der Umrichterfunktion und der sich hieraus ergebenden Ansteuerung des Elektromotors für den Elektroantrieb vorgesehen ist. Insbesondere sind als elektronische Bauteile 5 Leistungsbauteile vorgesehen; bsp. sind diese Leistungsbauteile als Leistungsschalter in Form von Silizium-Halbleiterchips ausgebildet (bsp. sind 6 Leistungsschalter vorgesehen). Die Verlustleistung der elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsanordnung 6 (insbesondere der Leistungsbauteile) wird über den Trägerkörper 4 und den Gehäusekörper 3 an das Kühlmedium 2 abgeführt.
    • - Auf dem Trägerkörper 4 ist eine Leiterbahnen 8, Aufnahmeflächen 9 für die elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsanordnung 6 und Anschlußflächen 10 für interne Verbindungen der Schaltungsanordnung 6 und für Verbindungen zu Anschlußkontakten 11 aufweisende Leitbahnstruktur aufgebracht. Auf die Aufnahmeflächen 9 werden die elektronischen Bauteile 5 der Schaltungsanordnung 6 aufgesetzt (bsp. werden die Silizium-Halbleiterchips aufgelötet) und deren Anschlüsse über Bondverbindungen 12 mit den Anschlußflächen 10 und/oder mit den Anschlußkontakten 11 elektrisch leitend verbunden. Weiterhin sind Bondverbindungen 12 von Anschlußflächen 10 zu weiteren Anschlußflächen 10 und/oder zu Anschlußkontakten 11 vorgesehen, die bsp. als Stanzgitteranschlüsse eines Stanzgitters ausgebildet sind. Diese Bondverbindungen 12 sind bsp. als isolierte mit einer Isolationsschicht 19 versehene Dickdrahtbonds realisiert, bsp. mit einer Dicke von 400 µm, bei denen auf einen Aluminiumdraht als Basismaterial 18 mit einer Dicke von bsp. 350 µm eine bsp. aus Aluminium Lackdraht bestehende Isolationsschicht 19 mit einer Dicke von bsp. 50 µm aufgebracht ist. Der auf einer Haspel gewickelte isolierte Bonddraht 17 wird einem Bonder zugeführt und die gewünschten Bondverbindungen 12 nach der bsp. thermisch erfolgenden Abisolierung der Isolationsschicht 19 (bsp. mittels eines Laserstrahls) an den Kontaktierungsstellen 13 durch einen Schweißvorgang der Kontaktierungsstellen 13 an den gewünschten Kontaktstellen (d. h. an den Anschlüssen der elektronischen Bauteile 5 und/oder den Anschlußflächen 10 der Leitbahnstruktur und/oder den Anschlußkontakten 11) realisiert. Insbesondere wird die über den vom Kühlmedium 2 umflossenen Teilbereich 7 des Gehäusekörpers 3 geführten isolierten Bondverbindungen 12 so ausgebildet, daß sie direkten Kontakt zum Gehäusekörper 3 besitzen, wodurch eine effiziente Kühlung dieser (langen) Bonddrähte 17 verbunden mit einem Schutz vor Überhitzung der Bonddrähte 17 gewährleistet ist. Nach dem Schweißvorgang werden die freigelegten (abisolierten) Kontaktierungsstellen 13 und damit das nicht von der Isolationsschicht 19 umgebene Basismaterial 18 der Bonddrähte 17 mit einer Schutzschicht 14 umgeben, indem als Schutzschicht 14 bsp. in den Gehäusekörper ein Gel bis zu einer bestimmten Füllhöhe 15 eingefüllt wird; die Füllhöhe 15 wird hierbei so gewählt, daß zumindest die Kontaktierungsstellen 13 der Bonddrähte 17 mit der Schutzschicht 14 (dem Gel) bedeckt sind.
    • - An die im Gehäusekörper 3 integrierten Anschlußkontakte 11 können Anschlußstecker zur Verbindung mit weiteren elektronischen Baugruppen und/oder Leitungsschienen 16 zur Spannungsversorgung des Umrichters 1 angeschlossen werden; bsp. wird der Umrichter 1 mit einem seitlich am Gehäusekörper 3 herausgeführten Anschlußstecker mit den drei Phasen R, S, T des Drehstroms verbunden und über die seitlich am Gehäusekörper 3 herausgeführten Leitungsschienen 16 mit Signalleitungen verbunden.

Claims (10)

1. Elektronische Baugruppe (1) mit Bondverbindungen (12) zur elektrischen Kontaktierung mindestens eines auf einem Trägerkörper (4) aufgebrachten elektronischen Bauteils (5) und/oder einer auf dem Trägerkörper (4) aufgebrachten Leitbahnstruktur und/oder von Anschlußkontakten (11), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Bondverbindungen (12) durch eine Isolationsschicht (19) aufweisende Bonddrähte (17) gebildet ist.
2. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Isolationsschicht unterschiedlich zum Basismaterial (18) der Bonddrähte (17) gewählt ist.
3. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (19) aus einem Polymer besteht.
4. Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (19) an den gebondeten Kontaktierungsstellen (13) der Bonddrähte (17) thermisch oder mechanisch entfernt ist.
5. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsstellen (13) der Bonddrähte (17) von einer Schutzschicht (14) bedeckt sind.
6. Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Bondverbindungen (12) von Anschlüssen der elektronischen Bauteile (5) zu Anschlußkontakten (11) gebildet sind.
7. Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Bondverbindungen (12) von Anschlüssen der elektronischen Bauteile (5) zu Anschlußflächen (10) auf der Leitbahnstruktur gebildet sind.
8. Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Bondverbindungen (12) thermisch an einen Kühlkörper und/oder an ein Kühlmedium (2) gekoppelt ist.
9. Elektronische Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (4) in einen Gehäusekörper (3) eingebracht ist.
10. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilbereich (7) des in Verbindung mit einem Kühlmedium (2) stehenden Gehäusekörpers (3) so ausgeformt ist, daß die Bondverbindungen (12) Gehäusekörper (3) anliegen.
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