DE102004062547A1 - Elektrische Baugruppe mit ineinander angeordneten Schaltungsträgern - Google Patents

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Richard Haslington Kenney
Kenneth Dr. Thompson
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Siemens AG
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Siemens AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe (1), aufweisend einen Schaltungsträger (2, 23) mit mindestens einem elektrischen Stromkreis (21), der mindestens ein auf einem Oberflächenabschnitt (237) des Schaltungsträgers angeordnetes elektrisches Bauelement (22, 221) aufweist, und mindestens einen weiteren Schaltungsträger (3, 33) mit mindestens einem weiteren elektrischen Stromkreis (31), wobei der weitere Schaltungsträger eine Ausnehmung (331) aufweist und der Schaltungsträger und der weitere Schaltungsträger derart aneinander angeordnet sind, dass der Stromkreis und der weitere Stromkreis über mindestens eine elektrische Verbindungsleitung (4) elektrisch leitend miteinander verbunden sind und das auf dem Oberflächenabschnitt des Schaltungsträgers angeordnete Bauelement des Stromkreises in die Ausnehmung des weiteren Schaltungsträgers ragt. Es resultiert eine elektrische Baugruppe mit einem kompakten, Platz sparenden Aufbau. Besonders eignet sich die Erfindung für die elektrische Kontaktierung eines Leistungshalbleitermoduls, bei dem die auf dem Schaltungsträger, z. B. DCB-Substrat, angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente planar und großflächig kontaktiert sind. Auf dem DCB-Substrat lassen sich einfach elektrische Anschlussstellen (236) realisieren, die mit elektrischen Anschlussstellen des weiteren Schaltungsträgers, beispielsweise ein PCB-Substrat, verlötet werden und so die elektrische Verbindungsleitung zwischen den Stromkreisen bilden. Somit kann auf ein ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Baugruppe mit mehreren Schaltungsträgern.
  • Die elektrische Baugruppe weist beispielsweise einen Schaltungsträger (Substrat) auf, mit dessen Hilfe ein Leistungshalbleitermodul realisiert ist. Auf dem Schaltungsträger des Leistungshalbleitermoduls sind Leistungshalbleiterbauelemente aufgebracht und elektrisch miteinander zu einem elektrischen Stromkreis verschaltet. Zum elektrischen Kontaktieren der Kontakte der Leistungshalbleiterbauelemente werden üblicherweise Bonddrähte verwendet. Zur elektrischen Isolierung sind die Bonddrähte und die Leistungshalbleiterbauelemente in eine Vergussmasse eingegossen. Die Vergussmasse ist beispielsweise Silikon. Das vergossene Leistungshalbleitermodul ist in einem Gehäuse angeordnet.
  • Eine Alternative zur Kontaktierung über Bonddrähte ist beispielsweise aus der WO 03/030247 A2 bekannt. Dabei werden die Kontaktflächen der auf einem Schaltungsträger angeordneten Leistungshalbleiterbauelemente großflächig und planar kontaktiert. Zur Kontaktierung wird eine Isolationsfolie auf die Leistungshalbleiterbauelemente auflaminiert. Die Isolationsfolie ist beispielsweise eine Isolationsfolie auf Polyimid- oder Epoxidbasis. Durch Erzeugen von Fenstern in der Isolationsfolie werden die Kontaktflächen der Leistungshalbleiterbauelemente freigelegt. Nachfolgend werden die Kontaktflächen durch Abscheiden von Metall auf den Kontaktflächen und auf Bereichen der Isolationsfolie elektrisch kontaktiert.
  • In beiden Fällen sind zur elektrischen Kontaktierung des jeweiligen Stromkreises von Außen her bzw. nach Außen hin auf dem Schaltungsträger elektrische Anschlussstellen vorhanden, die mit Hilfe eines so genannte „Lead Frames" elektrisch kontaktiert sind. Über ein „Lead Frame" wird der Stromkreis des Leistungshalbleitermoduls mit mindestens einem weiteren, externen Stromkreis elektrisch leitend verbunden. Der weitere Stromkreis kann dabei zumindest teilweise auf mindestens einem weiteren Schaltungsträger angeordnet sein.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakten Aufbau einer elektrischen Baugruppe mit mindestens zwei Schaltungsträgern anzugeben.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird eine elektrische Baugruppe angegeben, aufweisend einen Schaltungsträger mit mindestens einem elektrischen Stromkreis, der mindestens ein auf einem Oberflächenabschnitt des Schaltungsträgers angeordnetes elektrisches Bauelement aufweist, und mindestens einen weiteren Schaltungsträger mit mindestens einem weiteren elektrischen Stromkreis, wobei der weitere Schaltungsträger eine Ausnehmung aufweist und der Schaltungsträger und der weitere Schaltungsträger derart aneinander angeordnet sind, dass der Stromkreis und der weitere Stromkreis über mindestens eine elektrische Verbindungsleitung elektrisch leitend miteinander verbunden sind und das auf dem Oberflächenabschnitt des Schaltungsträgers angeordnete Bauelement des Stromkreises in die Ausnehmung des weiteren Schaltungsträgers ragt.
  • Die Ausnehmung (Kavität) kann ein Sackloch des weiteren Schaltungsträgers sein. Die Ausnehmung ist insbesondere ein Durchgangsloch (Fenster) des weiteren Schaltungsträgers. Die Schaltungsträger sind derart aneinander angeordnet, dass die Stromkreise miteinander zu einem Gesamtstromkreis verbunden sind. Zur Bildung des Gesamtstromkreises weisen die Schaltungsträger entsprechende Anschlussstellen auf. Durch das aneinander Anordnen der Schaltungsträger werden die Stromkreise an den Anschlussstellen elektrisch miteinander verbunden. Gleichzeitig ragt das Bauelement zumindest teilweise in die vorgesehene Ausnehmung. Es resultiert eine Baugruppe mit kompaktem und Platz sparendem Aufbau.
  • Die elektrische Verbindungsleitung kann allein durch die Anschlussstellen der Schaltungsträger realisiert sein. Dies gelingt beispielsweise durch Vorspannen der Schaltungsträger derart, dass die Anschlussstellen der Schaltungsträger gegeneinander gedrückt werden. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist die elektrische Verbindungsleitung ein aus der Gruppe Lot und/oder Leitklebstoff ausgewähltes elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel auf. Durch das elektrisch leitfähige Verbindungsmittel wird nicht nur eine elektrische Verbindung zwischen den Schaltkreisen, sondern auch ein Stoffschluss zwischen den Schaltungsträgern erzeugt. Es resultiert somit ein mechanisch stabiler Aufbau.
  • Die Schaltungsträger sind vorzugsweise derart aneinander angeordnet, dass das Bauelement des Schaltungsträgers den weiteren Schaltkreis des weiteren Schaltungsträgers nicht berührt. Dies gelingt beispielsweise dadurch, dass die Ausnehmung solche Ausmaße (Höhe, Breite, Tiefe) aufweist, dass das Bauelement komplett durch die Ausnehmung aufgenommen werden kann, ohne den weiteren Schaltungsträger zu berühren. Dadurch ist es möglich, dass beim Zusammensetzen der Schaltungsträger jeder der Stromkreise der Schaltungsträger unversehrt, also intakt bleibt.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Bauelement der elektrischen Schaltung gegen mindestens eine Komponente (weiteres elektrisches Bauelement) der weiteren elektrischen Schaltung des weiteren Schaltungsträgers elektrisch isoliert. Die elektrische Anbindung der Schaltkreise aneinander erfolgt lediglich über die vorgesehenen elektrischen Anschlussstellen. Ein unkontrollierter Kurzschluss zwischen dem Bauelement und der Komponente des weiteren Stromkreises ist ausgeschlossen.
  • Zur elektrischen Isolierung kann es ausreichen, wenn das Bauelement und der weitere Stromkreis bzw. die Komponente des weiteren Stromkreises einander nicht berühren. Zur elektrischen Isolierung kann auch eine Vergussmasse vorhanden sein, mit der die Ausnehmung zumindest teilweise ausgefüllt ist, in der sich das Bauelement befindet. Die Vergussmasse weist beispielsweise Silikon auf. In einer besonderen Ausgestaltung ist aber zur elektrischen Isolierung mindestens eine auf das Bauelement und/oder mindestens eine auf die Komponente des weiteren elektrischen Stromkreises auflaminierte Isolationsfolie vorhanden. Es kann auf die Vergussmasse verzichtet werden. Denkbar ist aber auch, dass die Isolationsfolie und die Vergussmasse zusammen verwendet werden. Besonders elegant ist es dabei, einen Schaltungsträger zu verwenden, bei dem, wie eingangs beschrieben, die elektrische Kontaktierung der aufgebrachten Bauelemente mit Hilfe einer Isolationsfolie hergestellt ist. Die Isolationsfolie ist derart ausgestaltet (Folienstärke, Folienmaterial, etc.) und auflaminiert, dass die elektrische Isolierung zu Bauelementen des weiteren Schaltungsträgers gewährleistet ist.
  • Ein Ausmaß des Schaltungsträgers (flächige Ausdehnung) kann kleiner sein als ein Ausmaß der Ausnehmung des weiteren Schaltungsträgers. Dabei ist beispielsweise dafür gesorgt, dass der Schaltungsträger und der weitere Schaltungsträger an einem an die Ausnehmung angrenzenden Oberflächenabschnitt des weiteren Schaltungsträgers miteinander verbunden sind. In einer besonderen Ausgestaltung ist aber ein Ausmaß des Schaltungsträgers größer ist als ein Ausmaß der Ausnehmung des weiteren Schaltungsträgers und der Schaltungsträger und der weitere Schaltungsträger sind an einem an die Ausnehmung angrenzenden Oberflächenabschnitt des weiteren Schaltungsträgers miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die Ausmaße des Schaltungsträgers und die Ausmaße der Ausnehmung bzw. deren Gestalten (Formen) derart gewählt, dass der Schaltungsträger auf dem gesamten Oberflächenabschnitt des weiteren Schaltungsträger zu liegen kommt, der die Ausnehmung umrandet. Die Ausnehmung ist ein Hohlraum, der vom Schaltungsträger und vom weiteren Schaltungsträger gebildet bzw. umschlossen ist und in dem das Bauelement angeordnet ist. Am Oberflächenabschnitt des weiteren Schaltungsträgers sind die Anschlussstellen des weiteren Schaltungsträgers angeordnet, über die die Verbindungsleitung zwischen dem Stromkreis des Schaltungsträgers und dem weiteren Stromkreis des weiteren Schaltungsträgers verläuft.
  • Als Schaltungsträger kommen beliebige anorganische oder organische Schaltungsträger in Frage. Die Schaltungsträger können einschichtig oder mehrschichtig sein. Insbesondere weisen der Schaltungsträger und/oder der weitere Schaltungsträger ein DCB (Direct Copper Bonding)-Substrat oder ein PCB (Printed Circuit Board)-Substrat auf. Beispielsweise ist der Stromkreis auf einem DCB-Substrat realisiert. Der weitere Schaltkreis dagegen auf einem PCB-Substrat.
  • Das in die Ausnehmung ragende Bauelement kann ein beliebiges aktives oder passives elektrisches Bauelement sein. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist das Bauelement ein Halbleiterbauelement. Das Halbleiterbauelement ist beispielsweise ein SMD (Surface Mounted Device)-Bauelement des Schaltungsträgers. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement ist. Das Leistungshalbleiterbauelement kann ein MOSFET, IGBT, Bipolartransistor oder eine Diode sein. Der Schaltungsträger ist Bestandteil eines Leistungshalbleitermoduls. Dabei eignet sich insbesondere die eingangs beschriebene, planare und großflächige Kontaktierung der Leistungshalbleiterbauelemente. Durch das Auflaminieren der zur elektrischen Kontaktierung verwendeten Isolationsfolie kann auf einfache Weise für eine effiziente elektrische Isolierung der Bauelemente und der Komponenten des weiteren Stromkreises des weiteren Schaltungsträgers gesorgt werden.
  • Vorzugsweise ist dabei die Isolationsfolie derart auf dem Leistungshalbleiterbauelement und dem Schaltungsträger aufgebracht, dass eine Oberflächenkontur des Leistungshalbleiterbauelements und/oder eine Oberflächenkontur des Schaltungsträgers in einer Oberflächenkontur der Isolationsfolie abgebildet sind, die dem Leistungshalbleiterbauelement und/oder dem Schaltungsträger abgekehrt ist. Die Isolationsfolie kann aufgeklebt sein. Vorzugsweise ist die Isolationsfolie auf dem Leistungshalbleiterbauelement und auf dem Schaltungsträger auflaminiert. Das Auflaminieren erfolgt vorzugsweise ohne Klebstoff. Die Isolationsfolie wird nicht aufgeklebt. Dazu erfolgt das Auflaminieren beispielsweise unter Anlegen eines Vakuums, wobei ein besonders inniger und fester Kontakt zwischen dem Leistungshalbleiterbauelement und der Isolationsfolie bzw. dem Schaltungsträger und der Isolationsfolie entsteht.
  • Um eine effiziente elektrische Isolierung mit Hilfe der Isolationsfolie zu erzielen, wird eine dafür notwendige Folienstärke (Foliendicke) der Isolationsfolie gewählt. Die notwendige Folienstärke hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise vom Isolationsmaterial der Isolationsfolie oder von den Bedingungen, unter denen die Baugruppe betrieben wird. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, eine Isolationsfolie zu verwenden, die eine aus dem Bereich von einschließlich 50 μm bis einschließlich 500 μm und insbesondere eine aus dem Bereich von einschließlich 100 μm bis einschließlich 300 μm ausgewählte Folienstärke aufweist.
  • Um eine notwendige Isolationswirkung der Isolationsfolie zu erzielen, kann eine einzige, möglichst dicke Isolationsfolie auflaminiert werden. Eine entsprechende Isolationswirkung kann aber auch mit mehreren, übereinander gestapelten, dünneren Isolationsfolien erzielt werden.
  • Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:
    • – Mit der Erfindung ist eine kompakte Baugruppe aus mit zwei Schaltungsträgern zugänglich.
    • – Auf die Verwendung eines „Lead Frames" zur elektrischen Verbindung des Stromkreises mit einem externen Stromkreis kann verzichtet werden.
    • – Durch die Verwendung einer auflaminierten Isolationsfolie zur elektrischen Isolierung des Bauteils des Schaltungsträgers kann für eine einfache und effiziente elektrische Isolierung des Bauelements gesorgt werden. Auf eine zusätzliche Isolierung durch Silikonverguss kann verzichtet werden.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
  • 1 zeigt eine Baugruppe in einem seitlichen Querschnitt.
  • 2 zeigt die Baugruppe in Aufsicht.
  • 3 zeigt einen Ausschnitt der Baugruppe in einem seitlichen Querschnitt.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die Baugruppe 1 einen Schaltungsträger 2 mit einem Stromkreis 21 und einen weiteren Schaltungsträger 3 mit einem weiteren Stromkreis 31 auf (1 und 2).
  • Der Schaltungsträger 2 ist ein DCB-Substrat 23. Das DCB-Substrat 23 weist eine Trägerschicht 231 aus Aluminiumoxid und beidseitig aufgebrachte elektrische Leistungsschichten 232 und 233 auf. Die Leitungsschicht 232 ist Bestandteil des Stromkreises 21 des Schaltungsträgers 2 (3).
  • Auf einen Oberflächenabschnitt 237 des DCB-Substrats 23, der durch die Leitungsschicht 232 gegeben ist, ist ein elektrisches Bauelement 22 in Form eines Leistungshalbleiterbauelements 221 aufgelötet. Es resultiert die Lotschicht 224. Das Leistungshalbleiterbauelement 221 ist derart aufgelötet, dass eine vom DCB-Substrat 23 wegweisende Kontaktfläche 222 des Leitungshalbleiterbauelements 221 resultiert. Zur großflächigen, planaren elektrischen Kontaktierung der Kontaktfläche 222 des Leistungshalbleiterbauelements 221 ist eine Isolationsfolie 24 unter Vakuum auflaminert. Die Isolationsfolie 24 ist dabei derart auf das DCB-Substrat 23 und das Leistungshalbleiterbauelementen 221 auflaminiert, dass eine Oberflächenkontur 223 des Leistungshalbleiterbauelements 221 und eine Oberflächenkontur 234 des Substrats 23 in einer Oberflächenkontur 241 der Isolationsfolie 24 abgebildet ist, die dem DCB-Substrat 23 und dem Leistungshalbleiterbauelement 221 abgekehrt ist.
  • Durch ein Fenster 242 der Isolationsfolie 24 ist der Kontakt bzw. die Kontaktfläche 222 des Leistungshalbleiterbauelements 221 elektrisch kontaktiert. Dazu wird das Fenster 242 in der Isolationsfolie 24 durch Laserablation geöffnet. Die planare elektrische Kontaktierung der Kontaktfläche 222 wird durch eine mehrschichtige Abscheidung 225 von elektrisch leitenden Materialien erzeugt.
  • Der weitere Schaltungsträger 3 ist ein PCB-Substrat 33. Auf dem PCB-Substrat 33 ist der weitere Stromkreis 31 realisiert, der aus verschiedenen, nicht näher dargestellten elektrischen Komponenten 32 besteht. Der weitere Schaltungsträger 3 weist eine Ausnehmung 331 auf. Die Ausnehmung 331 ist ein im PCB-Substrat eingearbeitetes Durchgangsloch. Das DCB-Substrat 23 und das PCB-Substrat 33 sind derart aneinander angeordnet, dass das Leistungshalbleiterbauelement 221 des DCB-Substrats 23 in die Ausnehmung 331 des weiteren Schaltungsträgers 33 ragt.
  • Ein Ausmaß 235 des DCB-Substrats 23 ist größer als ein Ausmaß 332 der Ausnehmung 331 des PCB-Substrats 33. So kommt das DCB-Substrat 23 auf einem Oberflächenabschnitt 333 des PCB-Substrats 33 zum Liegen, der die Ausnehmung 331 umgibt. Der Oberflächenabschnitt 333 des PCB-Substrats 33 weist elektrische Anschlussstellen 334 auf. Das DCB-Substrat 23 weist seinerseits elektrische Anschlussstellen 236 auf. Das DCB-Substrat 23 und das PCB-Substrat sind derart aneinander angeordnet, dass gewünschte elektrische Anschlussstellen 236 des DCB-Substrats 23 und elektrische Anschlussstellen 334 des PCB-Substrats 33 kontaktiert sind. Zum Herstellen des elektrischen Kontakts zwischen den Anschlussstellen 236 und 334 und wird elektrisch leitendes Material in Form eines Lots verwendet. Das DCB-Substrat 23 und das PCB-Substrat 33 werden an den Anschlussstellen 236 und 334 aneinander angelötet. Durch das Anlöten entsteht die elektrische Verbindungsleitung 4 zwischen dem Stromkreis 21 des Schaltungsträgers 2 und des weiteren Stromkreises 31 des weiteren Schaltungsträgers 3.

Claims (8)

  1. Elektrische Baugruppe (1), aufweisend – einen Schaltungsträger (2, 23) mit mindestens einem elektrischen Stromkreis (21), der mindestens ein auf einem Oberflächenabschnitt (237) des Schaltungsträgers (2, 21) angeordnetes elektrisches Bauelement (22, 221) aufweist, und – mindestens einen weiteren Schaltungsträger (3, 33) mit mindestens einem weiteren elektrischen Stromkreis (31), wobei – der weitere Schaltungsträger (3, 33) eine Ausnehmung (331) aufweist und – der Schaltungsträger (2, 23) und der weitere Schaltungsträger (3, 33) derart aneinander angeordnet sind, dass – der Stromkreis (21) und der weitere Stromkreis (31) über mindestens eine elektrische Verbindungsleitung (4) elektrisch leitend miteinander verbunden sind und – das auf dem Oberflächenabschnitt (237) des Schaltungsträgers (2, 23) angeordnete Bauelement (22, 21) des Stromkreises (21) in die Ausnehmung (331) des weiteren Schaltungsträgers (3) ragt.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, wobei die elektrische Verbindungsleitung (4) ein aus der Gruppe Lot und/oder Leitklebstoff ausgewähltes elektrisch leitfähiges Verbindungsmittel aufweist.
  3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bauelement (2, 21) der elektrischen Schaltung (21) gegen mindestens eine Komponente (32) der weiteren elektrischen Schaltung (31) des weiteren Schaltungsträgers (3) elektrisch isoliert ist.
  4. Baugruppe nach Anspruch 3, wobei zur elektrischen Isolierung mindestens eine auf das Bauelement (22, 221) und/oder mindestens eine auf die Komponente (32) des weiteren elektrischen Stromkreises (31) auflaminierte Isolationsfolie (24) vorhanden ist.
  5. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Ausmaß (236) des Schaltungsträgers (2) größer ist als ein Ausmaß (332) der Ausnehmung (331) des weiteren Schaltungsträgers (3) und der Schaltungsträger (2) und der weitere Schaltungsträger (3) an einem an die Ausnehmung (331) angrenzenden Oberflächenabschnitt (333) des weiteren Schaltungsträgers (3) miteinander verbunden sind.
  6. Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schaltungsträger (2) und/oder der weitere Schaltungsträger (3) ein DCB-Substrat (23) oder ein PCB-Substrat (33) aufweisen.
  7. Baugruppe nach Anspruch 1 bis 6, wobei das Bauelement (22) ein Halbleiterbauelement ist.
  8. Baugruppe nach Anspruch 7, wobei das Halbleiterbauelement ein Leistungshalbleiterbauelement (221) ist.
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