DE102004041417B4 - Elektrische Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Anordnung - Google Patents

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Abstract

Elektrische Anordnung
– mit einem elektrisch leitenden Substrat (1),
– mit einer verdichteten, elektrisch isolierenden Schicht ( 2) und
– mit einem elektrischen Bauteil (3), das durch die Schicht (2) gegenüber dem Substrat (1) elektrisch isoliert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
– die isolierende Schicht (2) eine auf einer Fläche (1a) des Substrats (1) durch eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem Elektrolyten unter Plasma-Bedingungen gebildete Schicht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung mit einem elektrisch leitenden Substrat mit einer verdichteten, elektrisch isolierenden Schicht und mit einem elektrischen Bauteil, das durch die Schicht gegenüber dem Substrat elektrisch isoliert ist.
  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen und elektronischen Aufbau- und Schaltungstechnik, insbesondere der Leistungshalbleiter-Schaltungstechnik, und ist auf eine elektrische Anordnung zur wärmeableitenden oder wärmezuleitenden Montage elektrischer Bauteile und auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Anordnung gerichtet.
  • Unter dem Begriff Bauteil sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung allgemein Schaltungselemente wie Halbleiter (z.B. Leistungs-Transistoren und Dioden) oder integrierte Bauelemente (ICs) zu verstehen, die insbesondere auf der Oberseite des Substrats angeordnet und in an sich bekannter Weise kontaktiert sind. Der Begriff soll aber nicht darauf beschränkt sein – er umfasst allgemein auch weitere elektrische Elemente, wie z.B. Heizelemente, elektrische Leiter, Leiterbahnen und konstruktive Elemente wie z.B. Anschlusskontakte und dergleichen.
  • Derartige Bauteile werden oft in hoher Packungs- bzw. Leistungsdichte betrieben und setzen elektrische Energie in Wärmeenergie um. Diese führt zu einer unerwünschten Erwärmung der Bauteile, die zu einer Funktionsbeeinträchtigung und ungünstigstenfalls zu einer Zerstörung der Bauteile führen kann. Deshalb muss für eine zuverlässige Abfuhr der betriebsgemäß entstehenden Wärme gesorgt sein. Andererseits müssen häufig aus elektrischen Gründen das Bauteil und die Wärmesenke gegeneinander elektrisch isoliert sein.
  • In anderen Anwendungen ist es erwünscht, von einem Bauelement, z.B. einer elektrischen Heizung, die isoliert von einem wärmeempfangenden Bauteil angeordnet werden muss, durch die isolierende Schicht hindurch einen Wärmefluss mit möglichst geringem Wärmewiderstand zu dem Bauteil zu realisieren.
  • Aus der US-Patentschrift 5,559,374 geht eine elektrische Anordnung der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu deren Herstellung hervor. Die bekannte Anordnung umfasst ein metallisches Substrat, auf dessen Oberseite durch sog. Thermosetting unter Druck und Wärme eine mehrlagige Folie auflaminiert ist. Diese besteht aus einer oberseitigen Kupferfolie und einer darunter liegenden Trägerfolie aus Kunststoff. Beim Auflaminieren der mehrlagigen Folie bildet der Kunststoff eine isolierende Schicht. In der Kupferfolie können anschließend durch Photoätzen Kupferstrukturen erzeugt werden, die Montagebereiche und Leiterbahnen bilden. Durch Reflow-Lötung sind in den Montagebereichen auf den Kupferstrukturen Dickschicht-Leiterbahnen ausgebildet, mit denen mittels des Reflow-Prozesses Kupferplättchen verlötet sind, die für einen hohen Stromfluss ausgelegt sind. Die Kupferplättchen dienen mit integralen Fortsätzen zum externen Anschluss an leistungsseitige Hochstromleistungen. Auf die Kupferplättchen sind Bauteile in Form von Leistungshalbleitern wie z.B. IGBTs aufgelötet.
  • Bei dieser bekannten elektrischen Anordnung generieren die Leistungs-Bauteile während ihrer Schaltvorgänge hohe Leistungsspitzen und damit erhebliche in Verlustwärme umgesetzte Verlustleitungen. Eine wesentliche Anforderung besteht darin, die thermischen Auswirkungen der Verlustleitungen abzufangen.
  • Zwar sieht die bekannte Anordnung zur Wärmeabfuhr bzw. Kühlung der Bauteile ein entsprechend dimensioniertes, metallisches Substrat als Kühlelement vor, gegenüber dem die Bauteile jedoch elektrisch isoliert sein müssen. Die dazu dienende isolierende Kunststoff-Schicht hat jedoch einen vergleichsweise hohen Wärmewiderstand, durch den der Wärmestrom zum Substrat und damit die Wärmeabfuhr limitiert ist. Zudem ist die zulässige Wärme bzw. Temperatur im Bereich der isolierenden Kunststoff-Schicht durch die maximale Einsatztemperatur des Kunststoffs begrenzt.
  • Aus der DE 103 39 692 A1 ist eine Anordnung mit einem metallischen Grundkörper bekannt, auf dem aufeinanderfolgend ein Isolator, ein Substrat mit einer Metallisierung und ein Leistungshalbleiterbauteil angeordnet sind. Der Isolator kann mittels eines anodischen Oxidationsverfahrens, beispielsweise einer "micro arc oxidation", hergestellt sein.
  • Die WO 2005/011345 A1 zeigt eine Schichtanordnung für ein mit elektronischen Bauelementen bestückbares Trägerbauteil mit einem Metallkern, auf dem aufeinanderfolgend eine Konversionsschicht zur Anpassung unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen, eine dielektrische Schicht und eine Leiterschicht angeordnet sind. Die Konversionsschicht wird bevorzugt mittels anodischer Oxidation unter Funkenentladung sowie unter Verwendung eines Elektrolyten hergestellt.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung einer Anordnung, die sich durch eine isolierende Schicht auszeichnet, die bei besonders hohen maximal zulässigen Be triebstemperaturen auch im Bereich komplizierter Substrat-Topologien einfach und zuverlässig herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Substrat der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die isolierende Schicht eine auf einer Fläche des Substrats durch eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem Elektrolyten unter Plasma-Bedingungen gebildete Schicht ist.
  • Ein erster wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, dass damit eine besonders homogene, belastbare und auch an Bereichen eines Substrats mit komplexen Geometrien zuverlässige Isolation gegenüber dem Substrat realisiert ist. Die isolierende Schicht ist auch äußerst temperaturfest. Die Einstellung der Schichtdicke nach mechanischen bzw. elektrischen Erfordernissen (z.B. Spannungsfestigkeit) erfolgt durch ge eignete Wahl der Prozessparameter, beispielsweise durch entsprechende Festlegung der Abscheidezeit.
  • Bevorzugt kann die isolierende Schicht bedarfsweise fotolithographisch strukturiert sein.
  • Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht infolgedessen darin, dass Materialien verwendbar sind, die einen vergleichsweise geringen Wärmewiderstand haben und damit einen effektiven Wärmefluss z.B. von Bauteilen zu dem Substrat (Wärmeabfuhr) oder aber von einer Heizeinrichtung zu einem zu erwärmenden, von der Heizung elektrisch zu isolierenden Bauteil (Wärmezufuhr) auf dem Substrat ermöglicht.
  • Zur Steigerung der thermischen Leitfähigkeit der isolierenden Schicht ist die isolierende Schicht verdichtet.
  • Im Hinblick auf eine besonders gute Haftung und Zuverlässigkeit der isolierenden Schicht ist nach einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung vorgesehen, dass die von der isolierenden Schicht bedeckten Flächen oder Bereiche des Substrats frei von Kanten und Absätzen sind. Bevorzugt sind Substratabsätze oder andere zu beschichtende Geometrien gerundet ausgebildet.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der isolierenden Schicht eine Kunststoffschicht angeordnet ist, auf der oder in der eine leitende Schicht vorgesehen ist.
  • In die Kunststoffschicht kann zur Verbesserung ihrer Wärmeleitfähigkeit gut wärmeleitfähiges Material, insbesondere Al2O3, AlN, Si2N4, eingelagert sein.
  • Um die thermischen Eigenschaften der Anordnung weiter zu optimieren, sieht eine vorteilhafte Fortbildung der Erfindung vor, dass dem Material der isolierenden Schicht eine oder mehrere Komponenten, insbesondere Aluminiumnitrid (AlN), zugefügt ist/sind, die einen höheren Wärmeleitwert als das Basismaterial der isolierenden Schicht aufweist/aufweisen. Damit erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit der isolierenden Schicht weiter. Beispielsweise ist denkbar eine isolierende Schicht aus Al2O3 zu bilden, das eine thermische Leitfähigkeit von ca. 0,5 bis 10 W/m·K hat. AlN hat demgegenüber eine thermische Leitfähigkeit von bis zu 180 W/m·K. Eine so „dotierte" isolierende Schicht verfügt damit je nach Material und nach Verhältnis der Materialbeimischung über ein erhebliches Steigerungspotential seiner thermischen Leitfähigkeit.
  • Um insgesamt die Anordnung gegen äußere Einflüsse zu schützen, ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass auf einer Substratoberfläche eine weitere isolierende Schicht durch Plasma-Elektrolytische-Oxidation gebildet ist. Diese kann bevorzugt auf der Unterseite des Substrats ausgebildet und im Hinblick auf ihre nicht nur isolierende, sondern auch schützende Funktion dicker ausgeführt sein. Dagegen kann abzuführende (bzw. zuzuführende) Wärme die erste isolierende (allein im Hinblick auf ihre Isolierungsfunktion optimierte) Schicht aufgrund deren vergleichsweise geringer Schichtdicke gut durchdringen und dann im Substrat verteilt (gespreizt) und abgeführt werden.
  • Das Substrat kann aus konstruktiven Gründen oder zur noch besseren und gleichmäßigen Wärmeableitung bevorzugt auf einem weiteren Träger angeordnet sein, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Das Substrat kann mit dem weiteren Träger durch eine Lotschicht, durch Platinieren oder Aluminisieren verbunden sein.
  • Nach einer vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist das Bauteil wärmeabgebend und auf einem Material mit einem hohen Wärmespeichervermögen angeordnet, das sich auf der isolierenden Schicht befindet, so dass die isolierende Schicht das Material – und damit das Bauteil – dem Substrat gegenüber isoliert. Das Material bildet somit eine thermische Kapazität. Diese dient gezielt zur Verbesserung des Leistungsverhaltens, indem sie für die Aufnahme von Leistungsspitzen (d.h. für die kurzzeitige Pufferung der mit elektrischen Leistungsspitzen verbundenen thermischen Verlustwärmemaxima) ausgelegt ist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Bauteil ein das Substrat durchdringender elektrischer Leiter, der von der isolierenden Schicht derart umgeben ist, dass er gegenüber dem Substrat elektrisch isoliert ist. Damit ist es möglich, z.B. einen strang-, linien- oder bandförmigen Leiter (als Bauteil) zuverlässig isoliert durch ein Substrat zu führen.
  • Eine vorteilhafte Fortbildung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil ein elektrisches Verbindungs- oder Kontakt-Element ist, das in einer Ausnehmung des Substrats unter Zwischenlage der isolierenden Schicht mechanisch fixiert ist. Damit kann der beschriebene Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung auch zur isolierten Fixierung von Verbindungs- oder Kontakt-Elementen dienen; deren Isolierung kann also ggf. zeitgleich mit der Bildung weiterer isolierender Schichten für weitere (elektrische) Bauteile erfolgen.
  • Das Verbindungs- oder Kontakt-Element kann in der Ausnehmung z.B. durch Lötung fixiert sein, indem die isolierende Schicht in der Ausnehmung zuvor metallisiert wird. Bevorzugt ist das Verbindungs- oder Kontakt-Element formschlüssig und/oder kraftschlüssig in dem Substrat gehalten; es kann aber auch durch Vergießen in dem Substrat fixiert sein.
  • Um eine zuverlässige kraftschlüssige Verbindung herzustellen, kann das Verbindungs- oder Kontakt-Element gemäß den Innen-Maßen der Ausnehmung (als zukünftiger Aufnahme) gefertigt werden. Zur Fixierung wird das Verbindungs- oder Kontakt-Element z.B. mittels flüssigem Stickstoff so gekühlt, dass es so weit unter die Aufnahmemaße schrumpft, dass es leicht in die Aufnahme eingesetzt werden kann. Mit der durch den nachfolgenden Temperaturwiederanstieg verbundenen Ausdehnung ergibt sich eine Presspassung, die eine sichere Fixierung gewährleistet. Bei der Ausdehnung des Verbindungs- oder Kontakt-Elements wird zwar ein mechanischer Druck auf die isolierende Schicht ausgeübt; dies ist jedoch bei üblichen Isolationsmaterialien wie z.B. Aluminiumoxid Al2O3 unproblematisch, da Keramiken sehr druckbelastbar sind.
  • Die elektrischen Bauteile oder Baugruppen können direkt auf der isolierenden Schicht z.B. durch Klebung oder Verschraubung angeordnet sein. Ist die isolierende Schicht metallisiert, können die Komponenten auch aufgelötet oder aufgeschweißt sein.
  • Nach einer in diesem Zusammenhang vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist das elektrische Bauteil mit weiteren Bau teilen und/oder weiteren Schaltungselementen über eine Schaltungsplatine elektrisch verbunden, die auf der isolierenden Schicht aufgebracht ist. Damit sind in einer vom Substrat unabhängig montierbaren und handhabbaren sowie separat zu testenden Einheit (z.B. auf einem Printed Circuit Board PCB) insbesondere Steuerelemente und/oder externe Anschlüsse aufbaubar. Die Platine kann vorteilhafterweise auch nachträglich auf dem Substrat montiert werden. Bauteile mit hohen Leistungsdichten und dadurch hoher Verlustwärmeabgabe können so über das Substrat gekühlt werden, während Bauteile mit geringen Leistungen auf einer Standard-Platine (z.B. PCB) aufgenommen sein können.
  • Hinsichtlich der elektrischen bzw. Isolations-Eigenschaften ist es von Vorteil, wenn das Substrat aus einem Ventilmetall oder einer Ventilmetalllegierung besteht. Unter Ventilmetallen sind allgemein Metalle zu verstehen, die sich bei anodischer Polung mit einer Oxidschicht überziehen, die auch bei hohen Spannungen nicht leitend (durchschlagen) wird. Als Anode geschaltet blockiert das Metall also dann einen weiteren Stromfluss. Bei Schaltung als Kathode löst sich die Oxidschicht und ein ungehinderter Stromfluss wird möglich. Bevorzugt als Ventilmetall sind Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium oder Tantal und als Ventilmetalllegierung AlCu, AlCuMg, AlMg, AlZnMg, AlZnMgCu, AlSiCu, AlMgSi, AlSi, AlMn oder AlMgMn. Hierbei kann in die Ventilmetalllegierung Kohlenstoff in kristalliner Struktur integriert sein.
  • Weiter bevorzugt enthält das Substrat ein weiteres Material, das in Ventilmetall bzw. in einer Ventilmetalllegierung höchstens teilweise in Lösung geht, wie z.B. Metal Matrix Composites (MMCs), Ceramic Matrix Composites (CMCs) und Polymere Matrix Composites (PMCs). Dabei ist bevorzugt in das Substrat eine Oxidkeramik, insbesondere Al2O3, SiO2, MgO, ZrO2, ATi, PZT, und/oder ein Karbid und/oder Nitrid, insbesondere SiC, SSiC, SiSiC, RSiC, NSiC, Si3N4, SiAlON, AlN, eingebracht.
  • In den meisten Anwendungsfällen ist ein auf elektrischer Masse liegendes und mit dem Substrat verbundenes Kühlsystem vorgesehen. Dadurch werden durch schaltende, von der isolierenden Schicht isolierte Bauteile sogenannte Verschiebeströme erzeugt. Die Stärke dieser Ströme sind von der Kapazität zwischen den Bauteilen und Masse abhängig. Die vergleichsweise geringen elektrischen Kapazitäten bewirken also vergleichsweise geringe Verschiebeströme.
  • Vor diesem Hintergrund sieht eine vorteilhafte Fortbildung der Erfindung vor, dass mehrere Lagen von isolierenden Schichten vorgesehen sind, die durch eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem Elektrolyten unter Plasma-Bedingungen gebildet sind und zwischen denen zumindest eine leitende Schicht angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung besteht eine vergleichsweise geringe elektrische Kapazität.
  • Bevorzugt kann dabei zu der leitenden Schicht elektrisch isoliert parallel eine weitere leitende Schicht verlaufen. Diese kann – wenn schaltungstechnisch erforderlich – mit der ersten Schicht besonders einfach mittels Durchkontaktierung verbunden sein.
  • Damit sind Mehrfachlagen („Multilayer") mit Zwischenschichten aus elektrischen Isolatoren möglich. Zur Herstellung kann zunächst das Substrat beschichtet (oxidiert) werden und anschließend die isolierende Schicht mit einer Metallisierung aus oxidierbarem Material beschichtet (z.B. durch Alumisieren oder Platieren) werden. Diese Metallisierung kann dann zur Isolierung oxidiert werden usw. Damit können wie bei Standard -Platinen hochintegrierte Multilayer-Systeme geschaffen werden, die thermisch und elektrisch hochbelastbar sind. Eine der leitenden Schichten kann bevorzugt zur Abschirmung verwendet und dementsprechend kontaktiert sein.
  • Mit dieser Technologie können auch hermetisch dichte Gehäuse realisiert werden. Außerdem können auch Wärmestrahlungen oder optische Strahlungen von elektrooptischen Bauteilen direkt durch das Substrat geführt werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat als luft- und/oder flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper ausgebildet ist. Damit übt das Substrat in Doppelfunktion sowohl eine mechanisch stabilisierende als auch eine wärmeableitende Funktion aus, wobei vorteilhafterweise zwischen Substrat und Kühlelement keine zusätzliche thermische Schnittstelle besteht.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil mit einem weiteren Substrat in wärmeableitendem Kontakt steht. Damit kann das Bauteil an zwei vorzugsweise erfindungsgemäß gestaltete Anordnungen Betriebswärme abgeben, was zu einer Steigerung der Kühlwirkung führt.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Anordnung mit dem Ziel, eine isolierende Schicht auf dem Substrat auch im Bereich komplizierter Substrat-Topologien einfach und zuverlässig herzustellen und dabei besonders hohe maximal zulässige Betriebstemperaturen zu realisieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Anordnung mit einem elektrisch leitenden Substrat, bei dem eine elektrisch isolierende Schicht zumindest auf Teilflächen des Substrats aufgebracht wird, wobei die Anordnung einer Plasma-Umgebung ausgesetzt wird, eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem gasförmigen Elektrolyten ausgelöst wird, durch deren Reaktionsprodukte zumindest die Teilflächen des Substrats beschichtet werden, und wobei durch die so gebildete isolierende Schicht elektrische Komponenten oder Bauteile dem Substrat gegenüber elektrisch isoliert angeordnet werden.
  • Als bevorzugte Verfahren für die Festkörper-Gas-Reaktion bzw. als Beschichtungsverfahren werden dabei eine Anodische Oxidation unter Funkentladung (ANOF), Funkenentladung im Elektrolyten („Spark Discharges in Electrolytes"), eine Anodische Funken Ablagerung („Anodic Spark Deposition"), eine Micro-Lichtbogen-Oxidation („Micro Arc Oxidation"), eine Hochspannungs-Oxidation („High Voltage Oxidation"), eine Plasma-Elektrolytische-Oxidation („Plasma Electrolytic Oxidation") oder eine Plasma-Chemische-Anodisation („Plasma Chemical Anodisation") oder der sog. Microplasmic Process (MPP) angewendet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei sind gleiche oder entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Im Einzelnen zeigt:
  • 1 eine erste elektrische Anordnung im Längsschnitt,
  • 2 eine alternative Anordnung im Längsschnitt,
  • 3 eine weitere alternative Anordnung im Längsschnitt,
  • 4 perspektivisch eine Anordnung mit internen Leitern und thermischen Kapazitäten,
  • 5 eine weitere Anordnung im Längsschnitt,
  • 6 eine weitere Anordnung mit einem Kontakt-Element im Längsschnitt,
  • 7 perspektivisch eine Anordnung mit Schichtleitern,
  • 8 Bauteile zwischen zwei Anordnungen und
  • 9 schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung in Form einer Halbbrücke.
    •
  • Nach 1 umfasst eine elektrische Anordnung ein elektrisch leitendes, aus einem Ventilmetall – nämlich Aluminium – bestehendes Substrat 1 auf dessen Oberseite 1a eine elektrisch isolierende Schicht 2 ausgebildet ist. Das Substrat enthält ein weiteres Material, das in Aluminium höchstens teilweise in Lösung geht. Auf der Schicht 2 ist ein elektrisches Bauteil 3 in Form eines Leistungshalbleiters (z.B. ein IGBT) aufgebracht und durch Klebung fixiert. Das Bauteil 3 ist somit durch die Schicht 2 gegenüber dem Substrat 1 elektrisch isoliert. Die isolierende Schicht ist auf der ebenen oberen Fläche (Oberseite) des Substrats durch eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem wässrigen, gasförmigen oder festen Elektrolyten unter Plasma-Bedingungen gebildet. Damit besteht eine äußerst temperaturfeste isolierende Schicht. Durch ge eignete Wahl der Prozessparameter, z.B. der Abscheidezeit, ist die Schichtdicke nach mechanischen bzw. elektrischen Erfordernissen (z.B. Spannungsfestigkeit) eingestellt. Da die Schicht 2 nur isolierende Funktion ausübt, ist sie vergleichsweise dünn ausgebildet, um einen möglichst optimalen Wärmefluss zwischen Bauteil und Substrat zu ermöglichen. Die zu beschichtende Fläche des Substrats ist hier eben; sie ist bevorzugt in jedem Fall so gestaltet, dass allenfalls Rundungen – aber keine Kanten und scharfe Absätze – vorhanden sind.
  • Die isolierende Schicht ist verdichtet. Außerdem ist die Schicht in nicht näher dargestellter Weise fotolithographisch strukturiert. Dem Material der isolierenden Schicht 2 ist als eine Komponente 2a Aluminiumnitrid (AlN) zugefügt. Dieses weist einen höheren Wärmeleitwert als das Basismaterial der isolierenden Schicht auf und verbessert dadurch die thermische Leitfähigkeit der Schicht.
  • Auf der Schicht 2 ist eine Kunststoffschicht 4 angeordnet. In diese ist zur Verbesserung von deren thermischer Leitfähigkeit gut wärmeleitfähiges Material 5 in Form von Aluminiumoxid (Al2O3) eingelagert.
  • 2 zeigt eine alternative Anordnung im Längsschnitt, die im wesentlichen wie die in 1 dargestellte Anordnung aufgebaut ist, bei der jedoch zusätzlich auf einer weiteren Oberfläche des Substrats 1 – nämlich der Unterseite 10 – eine weitere isolierende Schicht 11 durch Plasma-Elektrolytische-Oxidation gebildet ist. Außerdem ist auf der Schicht 1 ein elektrischer Leiter oder eine Leiterbahn 12 aufgebracht. Auf dieser ist das Bauteil 3 montiert, indem es durch eine Lötverbindung mechanisch und elektrisch mit dem Leiter 10 verbunden ist. Die weitere Schicht 12 schützt die Anordnung ge gen äußere Einflüsse. Im Hinblick auf diese schützende Funktion ist die Schicht dicker ausgeführt, indem die Prozessparameter so eingestellt wurde, dass eine größere Materialmenge pro Flächeneinheit abgeschieden wurde.
  • 3 zeigt eine weitere alternative Anordnung im Längsschnitt, die im wesentlichen wie die in 2 dargestellte Anordnung aufgebaut ist, bei also auf der Oberseite 1a des Substrats 1 eine elektrisch isolierenden Schicht 2 ausgebildet ist. Auf dieser Schicht ist eine Leiterbahn 12 aufgebracht, auf der ein elektrisches Bauteil 3 montiert ist. Jedoch ist das Substrat 1 in seinem unteren Bereich als luft- und/oder flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper ausgebildet. Dazu weist es Kühlfahnen oder Kühlrippen 15 auf. Das Substrat könnte auch als flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper ausgebildet sein, indem durch das Substratmaterial entsprechende Kühlmittelkanäle verlaufen.
  • 4 zeigt perspektivisch eine Anordnung, bei denen das Bauteil als interner Leiter 20, 21 ausgebildet ist, der das Substrat durchdringt. Eine durch eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem Elektrolyten unter Plasma-Bedingungen gebildete isolierende Schicht 24 bzw. 25 umgibt den Leiter vollständig derart, dass der Leiter gegenüber dem Substrat elektrisch isoliert ist.
  • Ferner ist in 4 zu erkennen, dass thermische Kapazitäten 27, 28, 29 vorgesehen sind, auf denen ein – nicht gezeigtes – Bauteil angeordnet werden kann. Die thermischen Kapazitäten bestehen aus einem Material mit einem hohen Wärmespeichervermögen. Die thermischen Kapazitäten sind durch mittels Festkörper-Gas-Reaktion in einem Elektrolyten unter Plasma-Bedingungen gebildete isolierende Schichten 30, 31, 32 elekt risch gegenüber dem Substrat 1 isoliert. Bei kurzzeitigen Leistungsspitzen des Bauteils kann so die entstehende Verlustwärme in den thermischen Kapazitäten gepuffert und dann über die isolierenden Schichten an das Substrat 1 abgeführt werden.
  • 5 zeigt eine im wesentlichen der Anordnung nach 2 entsprechende Anordnung im Längsschnitt, bei der das Substrat 1 auf der Oberseite 1a und der Unterseite 10 jeweils mit einer durch Plasma-Elektrolytische-Oxidation gebildeten isolierenden Schicht 2 bzw. 11 versehen ist. Auf der Schicht 1 ist ein elektrischer Leiter 12 aufgebracht, auf dem das Bauteil 3 montiert ist. Das Substrat ist mit einem weiteren Träger 40 durch eine Lotschicht 41 elektrisch und mechanisch verbunden. Der weitere Träger 40 weist ebenfalls eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
  • 6 zeigt eine weitere Anordnung, bei der das Bauteil ein Kontakt-Element 50 ist, das unter Zwischenlage einer durch Plasma-Elektrolytische-Oxidation gebildeten isolierenden Schicht 52 in einer Ausnehmung 54 des Substrats 1 mechanisch fixiert ist. Hier dient der Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung gleichzeitig auch zur isolierten Fixierung von Verbindungs- oder Kontakt-Elementen. Die Isolierung 52 ist zeitgleich mit der Bildung der weiteren isolierenden Schichten (z.B. 2, 11 gemäß 5) für weitere (elektrische) Bauteile 3 erfolgt. Das Verbindungs- oder Kontakt-Element 50 ist form- und stoffschlüssig in dem Substrat 1 gehalten, indem die isolierende Schicht 52 mit einer Metallisierung 55 ausgekleidet und diese mit dem Kontakt-Element durch Lötung 56 verbunden ist.
  • 7 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Anordnung mit zwei Schichtleitern 60, 61 und mehrere Lagen von isolierenden Schichten 63, 64, die durch eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem wässrigen Elektrolyten unter Plasma-Bedingungen gebildet sind. Zwischen den Schichten 63, 64 ist eine leitende Schicht in Form des Schichtleiters 61 angeordnet. Diese kann – wenn schaltungstechnisch erforderlich – mit einer (hier nicht dargestellten) Durchkontaktierung versehen sein, die die Schichtleiter 60, 61 verbindet.
  • Nach 7 ist jedoch die Anordnung im Prinzip eines Busbars aufgebaut, wobei die Induktivität dabei stark verringert ist. Durch die sich flächig parallel gegenüberliegenden Leiter 60, 61 mit entgegengesetzten (durch Pfeile angedeuteten) Stromrichtungen können die Bauteile sehr niederinduktiv angesteuert bzw. mit Leistungsströmen beaufschlagt werden. Die somit durch die parasitären Induktivitäten hervorgerufenen Induktionsspannungen sind demgemäss geringer, so dass eine höhere Leistungsbeaufschlagung der Bauteile (z.B. IGBTs) möglich ist.
  • 8 zeigt zwei erfindungsgemäße Anordnungen, die quasi Sandwich-artig zusammengefügt sind. Zwischen den Substraten 1, 1' mit ihren isolierenden Schichten 2, 2' sind zwei Bauteile 3, 3' angeordnet. Beispielhaft ist dabei das Bauteile 3' ober- und unterseitig über Leiterbahnen 12, 12' auf den Substraten 1, 1' verbunden, während das Bauteil 3 unmittelbar durch Klebung mit den Substraten 1, 1' verbunden ist. Nach dieser Ausführung können die Bauteile ihre Betriebswärme an zwei Substrate abgeben, was zu einer Steigerung der Kühlwirkung führt.
  • 9 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, die eine effiziente Verschaltung und optimierte thermische Auslegung der Halbbrücke ermöglicht. Das elektrisch leitende Substrat 1 ist unter Zwischenlage eines leitenden, L-förmigen Kupfer-Anschlusselementes 69 unmittelbar elektrisch mit einem Halbleiterbauelement 70 verbunden. Ein zweites Halbleiterbauelement 71 ist auf einer Metallisierung 75 aufgelötet, die sich mit einem Anschlusskontakt 76 nach oben erstreckt. Die Halbleiterbauelemente sind untereinander durch einen Bonddraht verbunden. Die Metallisierung 75 ist ihrerseits auf einer isolierenden Schicht 77 aufgebracht. Hierbei können beide Halbleiterbauelemente wegen ihrer guten thermischen Ankopplung hoch belastet werden, wobei die Belastung des Elements 70 wegen der unmittelbaren Verbindung mit dem Substrat sogar noch etwas höher sein kann. Die niederinduktive Beschaltung reduziert Schaltverluste bzw. Verlustleistungen der Halbleiterbauelemente. Unterseitig ist das Substrat wie vorbeschrieben mit einer schützenden isolierenden Schicht 11 versehen.
    • 1
    Substrat
    1'
    isolierende Schicht
    1a
    Oberseite
    2
    isolierende Schicht
    2a
    Komponente
    3
    Bauteil
    3'
    Bauteil
    4
    Kunststoffschicht
    5
    wärmeleitfähiges Material
    10
    Unterseite
    11
    isolierende Schicht
    12
    Leiterbahn
    12'
    Leiterbahn
    15
    Kühlrippen
    20
    Leiter
    21
    Leiter
    24
    isolierende Schicht
    25
    isolierende Schicht
    27
    thermische Kapazität
    28
    thermische Kapazität
    29
    thermische Kapazität
    30
    isolierende Schicht
    31
    isolierende Schicht
    32
    isolierende Schicht
    40
    Träger
    41
    Lotschicht
    50
    Kontakt-Element
    52
    isolierende Schicht
    54
    Ausnehmung
    55
    Metallisierung
    56
    Lötung
    60
    Schichtleiter
    61
    Schichtleiter
    63
    isolierende Schicht
    64
    isolierende Schicht
    69
    Kupfer-Anschlusselement
    70
    Halbleiterbauelement
    71
    Halbleiterbauelement
    75
    Metallisierung
    76
    Anschlusskontakt
    77
    isolierende Schicht

Claims (35)

  1. Elektrische Anordnung – mit einem elektrisch leitenden Substrat (1), – mit einer verdichteten, elektrisch isolierenden Schicht ( 2) und – mit einem elektrischen Bauteil (3), das durch die Schicht (2) gegenüber dem Substrat (1) elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die isolierende Schicht (2) eine auf einer Fläche (1a) des Substrats (1) durch eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem Elektrolyten unter Plasma-Bedingungen gebildete Schicht ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die von der isolierenden Schicht (2) bedeckten Flächen (1a, 10) oder Bereiche des Substrats (1) frei von Kanten und Absätzen sind.
  3. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – auf der isolierenden Schicht (1) eine Kunststoffschicht (4) angeordnet ist, auf der oder in der eine leitende Schicht vorgesehen ist.
  4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – in die Kunststoffschicht (4) gut wärmeleitfähiges Material (5), insbesondere Al2O3, AlN, Si2N4, eingelagert ist.
  5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – dem Material der isolierenden Schicht (2) eine oder mehrere Komponenten (2a), insbesondere Aluminiumnitrid (AlN), zugefügt ist/sind, die einen höheren Wärmeleitwert als das Basismaterial der isolierenden Schicht aufweist/aufweisen.
  6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – auf einer Substratoberfläche (10) eine weitere isolierende Schicht (11) durch Plasma-Elektrolytische-Oxidation gebildet ist, die das Substrat, insbesondere dessen Unterseite, schützt.
  7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (1) auf einem weiteren Träger (40) angeordnet ist, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (1) mit dem weiteren Träger (40) durch eine Lotschicht (41), durch Platinieren oder Alumisieren verbunden ist.
  9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Bauteil wärmeabgebend ist, – das Bauteil auf einem Material (27) mit einem hohen Wärmespeichervermögen angeordnet ist, – das sich dieses Material auf der isolierenden Schicht (30) befindet, so dass die isolierende Schicht (30) das Material (27) dem Substrat (1) gegenüber elektrisch isoliert.
  10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass – das Bauteil ein das Substrat durchdringender elektrischer Leiter (20) ist und – die isolierende Schicht (24) den Leiter (20) vollständig derart umgibt, dass der Leiter (20) gegenüber dem Substrat (1) elektrisch isoliert ist.
  11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass – das Bauteil ein elektrisches Verbindungs- oder Kontakt-Element (50) ist, das unter Zwischenlage (52) der isolierenden Schicht in einer Ausnehmung (54) des Substrats (1) mechanisch fixiert ist.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verbindungs- oder Kontakt-Element (50) formschlüssig in dem Substrat (1) gehalten ist.
  13. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verbindungs- oder Kontakt-Element (50) durch Vergießen in das Substrat (1) eingebracht ist.
  14. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass – das Verbindungs- oder Kontakt-Element (50) kraftschlüssig in dem Substrat (1) gehalten ist.
  15. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das elektrische Bauteil mit weiteren Bauteilen und/oder weiteren Schaltungselementen über eine Schaltungsplatine elektrisch verbunden ist, die auf der isolierenden Schicht aufgebracht ist.
  16. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (1) aus einem Ventilmetall oder einer Ventilmetalllegierung besteht.
  17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ventilmetall Aluminium, Magnesium, Titan, Zirkonium oder Tantal ist.
  18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ventilmetalllegierung AlCu, AlCuMg, AlMg, AlZnMg, AlZnMgCu, AlSiCu, AlMgSi, AlSi, AlMn, AlMgMn ist.
  19. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (1) ein weiteres Material enthält, das in Ventilmetall bzw. in einer Ventilmetalllegierung höchstens teilweise in Lösung geht.
  20. Anordnung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass – im Material Kohlenstoff in kristalliner Struktur integriert ist.
  21. Anordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass – das weitere Material eine Oxidkeramik, insbesondere Al2O3, SiO2, MgO, ZrO2, ATi, PZT, ist.
  22. Anordnung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass – das Material Karbid und/oder Nitrid, insbesondere SiC, SSiC, SiSiC, RSiC, NSiC, Si3N4, SiAlON, AlN, ist.
  23. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – mehrere Lagen von isolierenden Schichten (63, 64) vorgesehen sind, die durch eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem Elektrolyten unter Plasma-Bedingungen gebildet sind und zwischen denen zumindest eine leitende Schicht (61) angeordnet ist.
  24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass – zu der leitenden Schicht (61) elektrisch isoliert parallel eine weitere leitende Schicht (60) verläuft.
  25. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass – die leitende Schicht (61) mit der weiteren leitenden Schicht (60) mittels Durchkontaktierung elektrisch verbunden ist.
  26. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (1) als luft- und/oder flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper ausgebildet ist.
  27. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Bauteil (3, 3') mit einem weiteren Substrat (1') in wärmeableitendem Kontakt steht.
  28. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Anordnung mit einem elektrisch leitenden Substrat (1), – bei dem eine elektrisch isolierende Schicht (2) zumindest auf Teilflächen des Substrats (1) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Anordnung einer Plasma-Umgebung ausgesetzt wird, – eine Festkörper-Gas-Reaktion in einem gasförmigen Elektrolyten ausgelöst wird, durch deren Reaktionsprodukte zumindest die Teilflächen (1a, 10) des Substrats (1) beschichtet werden, und – durch die so gebildete isolierende Schicht (2, 11) elektrische Komponenten oder Bauteile (3) dem Substrat (1) gegenüber elektrisch isoliert werden.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Festkörper-Gas-Reaktion eine Anodische Oxidation unter Funkenentladung (ANOF) verwendet wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Festkörper-Gas-Reaktion eine Funkentladung im Elektrolyten verwendet wird.
  31. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Festkörper-Gas-Reaktion eine Anodische Funken-Ablagerung verwendet wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Festkörper-Gas-Reaktion eine Micro-Lichtbogen-Oxidation verwendet wird.
  33. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Festkörper-Gas-Reaktion eine Hochspannungs-Oxidation verwendet wird.
  34. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Festkörper-Gas-Reaktion eine Plasma-Elektrolytische-Oxidation verwendet wird.
  35. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Festkörper-Gas-Reaktion eine Plasma-Chemische-Anodisation verwendet wird.
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