DE102008000825A1 - Keramik-Metall-Verbundsubstrat - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Keramik-Metall-Verbundsubstrat (1) mit einer Keramikschicht (3), einer Kupferleiterbahn (5, 7, 9, 11 und 16), einem Leistungsbauelement (4, 6, 8, 10, 12, 13 und 14), das auf einer Seite des Keramik-Metall-Verbundsubstrates (1) angeordnet ist, und einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement (17-26) mit zwei Enden (30, 31). Erfindungsgemäß bildet eine Metallplatte (2), die an einer Seite, die der Seite mit dem Leistungsbauelement (4, 6, 8, 10, 12, 13 und 14) abgewandt ist, an dem Keramik-Metall-Verbundsubstrat (1) angeordnet ist, eine Stufe aus, auf der ein Ende (30, 31) des Verbindungselementes (17-26) angeordnet ist. Die Metallplatte (2) und eine Kupferleiterbahn (16) fungieren als Sammelleitungen, die parallel zueinander und mit geringem Abstand übereinanderliegend angeordnet sind. Induktive und ohmsche parasitäre Effekte sind vermieden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Isolationsmaterial-Metall-Verbundsubstrat mit einer Isolationsschicht, einer Metallleiterbahn, einem Leistungsbauelement, das auf einer Seite des Isolationsmaterial-Metall-Verbundsubstrates angeordnet ist, und einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement mit zwei Enden und ein Keramik-Metall-Verbundsubstrat mit einer Keramikschicht, einer Metallleiterbahn, einem Leistungsbauelement, das auf einer Seite des Keramik-Metall-Verbundsubstrates angeordnet ist, und einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement mit zwei Enden.
  • Aus der DE 197 27 548 A1 ist ein darin als zweites Substrat bezeichnetes Keramik-Metall-Verbundsubstrat bekannt. Das Verbundsubstrat weist eine Keramik zwischen zwei Kupferschichten auf und wird auch als DBC-Substrat bezeichnet. DBC steht für den englischen Begriff Direct Bonded Copper. Als Keramiken sind ein Aluminiumoxid oder ein Aluminiumnitrid mit der chemischen Kurzformel Al2O3 oder AlN verwendet. Die Keramiken besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und dienen als Isolationsschicht. Auf dem Substrat sind großflächige metallische Anschlussleiterbahnen aus Kupfer oder Silber angeordnet. Die von Bonddrähten abgewandeten Enden der Leiterbahnen sind als großflächige Anschlussflächen ausgebildet. Auf jeder Anschlussfläche ist als Leistungsbauelement ein Zündungstransistor direkt aufgebracht, wobei der Kollektor auf der Unterseite des Transistors die zugehörige Anschlussleiterbahn kontaktiert. Die Leistungsbauelemente auf den Substraten sind für Hochstromanwendungen in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Hohe Ströme verursachen parasitäre Effekte, so dass die Leiterbahnen weit voneinander beabstandet sind.
  • Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, Abstände von Leiterbahnen auf einem Substrat zu optimieren beziehungsweise zu minimieren und ein einfaches Substrat anzugeben. Insbesondere induktive und ohmsche parasitäre Effekte sollen vermieden sein.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Hauptansprüche gelöst. Erfindungsgemäß weisen das Isolationsmaterial-Metall-Verbundsubstrat und das Keramik-Metall-Verbundsubstrat eine Metallplatte auf, an der ein Ende des elektrisch leitfähigen Verbindungselements angeordnet ist oder bildet eine Metallplatte, die an einer Seite, die der Seite mit dem Leistungsbauelement abgewandt ist, an dem Keramik-Metall-Verbundsubstrat angeordnet ist, eine Stufe aus, auf der ein Ende des Verbindungselementes angeordnet ist. Das andere Ende des Verbindungselements ist an einem Leistungsbauelement oder an einer Kupferleiterbahn angeordnet. Die Metallplatte fungiert als Leiterbahn. Ist die Metallplatte auf der Seite angeordnet, die der Seite mit den Leistungsbauelementen abgewandt ist, so sind eine große Fläche und übereinander liegende Hin- und Rückleitung gegeben. Somit sind parasitäre Effekte weitestgehend vermieden. Sind das Keramik-Metall-Verbundsubstrat und die Metallplatte als stufenförmiges Bauteil ausgebildet und das elektrisch leitfähige Verbindungselement auf der Stufenfläche befestigt, so sind Befestigungsebenen für beide Enden parallel und somit eine einfache Befestigung ermöglicht.
  • In einfacher Weise ist die Stufe zumindest teilweise umlaufend, damit sind Anschlüsse des Pulswechselrichters und der Gleichrichter in eine Richtung ausrichtbar.
  • In einfacher Weise ist das elektrisch leitfähige Verbindungselement ein Draht. Mit einem Draht sind einfache Befestigungsmethoden von Drahtenden auf einem elektronischen Leistungsbauelement, einer Leiterbahn oder einer Metallplatte ermöglicht. Die Enden sind auf der Metallplatte auflötbar, aufschweißbar oder per Ultraschall befestigbar. Die Befestigungsmethoden werden als Bonden bezeichnet, die Drähte als Bonddrähte oder kurz als Bonds.
  • In vorteilhafter Weise ist die Metallplatte eine Aluminiumplatte. Aluminium ist elektrisch leitfähig und ein guter Wärmeleiter.
  • In vorteilhafter Weise weist das Keramik-Metall-Verbundsubstrat mehrere als Transistoren ausgebildete Leistungsbauelemente auf, die Teil eines Pulswechselrichters, eines Synchrongleichrichters oder eines Dreiphasen-Gleichrichters sind. Für den Plus- oder Minuspol des Dreiphasen-Gleichrichters fungiert die Metallplatte als Sammelleitung. Drei Transistoren des Dreiphasen-Gleichrichters lassen jeweils eine Halbwelle der phasenverschobene Ströme auf die Sammelleitung durch. Auf der Metallplatte fließen somit hohe Ströme. Der Pulswechselrichter, der Synchrongleichrichter oder der Dreiphasen-Gleichrichter sind in einem Kraftfahrzeug einsetzbar.
  • In vorteilhafter Weise sind die Transistoren Feldeffekttransistoren. Verwendet sind Metalloxid-Halbleiter Feldeffekttransistoren, die nahezu leistungslos steuerbar sind.
  • Zum besseren Verständnis der Erfindung sind nachfolgend Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 einen Pulswechselrichter mit einem Vorwiderstand auf einem Keramik-Metall-Verbundsubstrat in vereinfachter perspektivischer Darstellung,
  • 2 einen Pulswechselrichter ohne Vorwiderstand auf einem Keramik-Metall-Verbundsubstrat in vereinfachter perspektivischer Darstellung,
  • 3 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des Pulswechselrichter mit dem Vorwiderstand und
  • 4 das Keramik-Metall-Verbundsubstrat in seitlicher Schnittdarstellung.
  • In den verschiedenen Figuren sind ähnliche oder dieselben Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
  • 1 zeigt ein Keramik-Metall-Verbundsubstrat 1 mit einer Aluminiumplatte 2, einer Keramikschicht 3, einen ersten Transistor 4 auf einer ersten Kupferleiterbahn 5, einen zweiten Transistor 6 auf einer zweiten Kupferleiterbahn 7, einen dritten Transistor 8 auf einer dritten Kupferleiterbahn 9, einen Widerstand 10 auf einer vierten Kupferleiterbahn 11, einen vierten Transistor 12, einen fünften Transistor 13 und einen sechsten Transistor 14 auf einer fünften Kupferleiterbahn 16. Die Transistoren 4, 6, 8, 12, 13 und 14 sowie der Widerstand 10 sind elektronische Leistungsbauelemente. Auf dem vierten Transistor 12 sind auf der Oberseite drei erste Bonddrähte 17 angeordnet, mittels derer und weiterer elektrisch leitfähiger Verbindungselemente ein Wechselstrom einer Phase U von einem Drehstromgenerator abgreifbar ist. Auf dem fünften Transistor 13 sind auf der Oberseite drei zweite Bonddrähte 18 angeordnet, mittels derer und weiterer elektrisch leitfähiger Verbindungselemente ein Wechselstrom einer Phase V von dem Drehstromgenerator abgreifbar ist. Auf dem sechsten Transistor 14 sind auf der Oberseite drei dritte Bonddrähte 19 angeordnet, mittels derer und weiterer elektrisch leitfähiger Verbindungselemente ein Wechselstrom einer Phase W von dem Drehstromgenerator abgreifbar ist. Auf der Oberseite des vierten Transistors 12 sind drei vierte Bonddrähte 20 angeordnet, die eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der ersten Kupferleiterbahn 5 herstellen. Auf der Oberseite des fünften Transistors 13 sind drei fünfte Bonddrähte 21 angeordnet, die eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der zweiten Kupferleiterbahn 7 herstellen. Auf der Oberseite des sechsten Transistors 14 sind drei sechste Bonddrähte 22 angeordnet, die eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der dritten Kupferleiterbahn 9 herstellen. Von der Oberseite des ersten Transistors 4 führen drei siebte Bonddrähte 23 zu der Aluminiumplatte 2 und sind mit dieser elektrisch leitfähig verbunden. Von der Oberseite des zweiten Transistors 6 führen drei achte Bonddrähte 24 zu der Aluminiumplatte 2 und sind mit dieser elektrisch leitfähig verbunden. Von der Oberseite des dritten Transistors 8 führen drei neunte Bonddrähte 25 zu der Aluminiumplatte 2 und sind mit dieser elektrisch leitfähig verbunden. Von der Aluminiumplatte 2 führen drei zehnte Bonddrähte 26 zu der vierten Kupferleiterbahn 11 mit dem Widerstand 10. Pfeile 27 und 28 kennzeichnen Richtungen eines Gleichstromes, der über weitere Bonddrähte 34 an dem Widerstand 10 und der Kupferleiterbahn 16 abgreifbar ist. Die Oberseite des Widerstands 10 fungiert als Minuspol, die der Kupferleiterbahn 16 als Pluspol. Die Anzahl der einzelnen Bonddrähte 17–26 und 34 zwischen den Transistoren 4, 6, 8, 12, 13 und 14, dem Widerstand 10 und den Kupferleiterbahnen 5, 7, 9, 11 und 16 sowie der Aluminiumplatte 2 ist abhängig von der Stromstärke und dem Querschnitt der Bonddrähte 17–26 und 34. Aufgrund eines Ätzvorgangs sind Zwischenräume zwischen den einzelnen Kupferleiterbahnen 5, 7, 9, 11 und 16 entstanden. Vor dem Ätzvorgang waren die einzelnen Kupferleiterbahnen 5, 7, 9, 11 und 16 Teil einer einzigen auf der Keramik 3 aufgebrachten Kupferschicht. Die Kupferleiterbahnen 5, 7, 9, 11 und 16 weisen größere Abstände zueinander auf. Das Keramik-Metall-Verbundsubstrat 1 ist quaderförmig mit sechs Seiten ausgebildet. Auf einer Seite des Quaders 1 sind die Leistungsbauelemente 4, 6, 8, 10, 12, 13 und 14 auf den Kupferleiterbahnen 5, 7, 9, 11 und 16 angeordnet. Auf der Seite, die der Seite mit den Leistungsbauelementen 4, 6, 8, 10, 12, 13 und 14 abgewandt ist, ist die Aluminiumplatte 2 angeordnet. Die Aluminiumplatte 2 schließt an drei Seiten bündig mit dem Keramik-Metall-Verbundsubstrat 1 ab und weist ein verlängertes Teil auf, das an einer Seite des Keramik-Metall-Verbundsubstrat 1 übersteht. Das Keramik-Metall-Verbundsubstrat 1 und die Aluminiumplatte 2 bilden ein stufenförmiges Bauteil 29 aus. Die Bonddrähte 23, 24 und 25, die die Leistungsbauelemente 4, 6 und 8 mit der Aluminiumplatte 2 elektrisch leitfähig verbinden, weisen jeweils Enden 30 und 31 auf, von denen eines auf dem Leistungsbauelement 4, 6 und 8 und das andere auf der Aluminiumplatte 2 angeordnet ist. Die Bonddrähte 26, die die Kupferleiterbahn 11 mit der Aluminiumplatte 2 elektrisch leitfähig verbinden, weisen jeweils Enden 30 und 31 auf, von denen eines auf der Kupferleiterbahn 11 und das andere auf der Aluminiumplatte 2 angeordnet ist. Das auf der Aluminiumplatte 2 angeordnete Ende 31 ist auf einer Stufenfläche 32 des Bauteiles 29 angeordnet. Die Aluminiumplatte 2 bildet eine Stufe 35 aus.
  • 2 zeigt die auf dem Verbundsubstrat angeordneten Transistoren 4, 6, 8, 12, 13 und 14, die Kupferleiterbahnen 5, 7, 9 und 16 sowie die Aluminiumplatte 2. Die Transistoren 4, 6, 8, 12, 13 und 14, die Kupferleiterbahnen 5, 7, 9 und 16 und die Aluminiumplatte 2 bilden einen Pulwechselrichter 33, kurz als PWR bezeichnet, mit drei Transistorpaaren 4 und 12, 6 und 13, 8 und 14 aus. Die drei Transistorenpaare 4 und 12, 6 und 13, 8 und 14 sind parallel zueinander angeordnet und so über Sammelleitungen 2 und 16, die von der Aluminiumplatte 2 und der fünften Kupferleiterbahn 16 gebildet sind, untereinander verbunden, das auf den Sammelleitungen 2 und 16 ein Pulswechselstrom erzeugt und abgreifbar ist. Die Sammelleitungen 2 und 16 sind auch als Hin- und Rückleiter oder als Sammelschienen bezeichnet. Die Sammelschienen 2 und 16 sind plattenförmig ausgebildet und übereinander liegend angeordnet. Idealerweise liegen sie mit geringem Abstand parallel zueinander und überlappen zumindest teilweise.
  • 3 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild der auf dem Verbundsubstrat angeordneten Transistoren 4, 6, 8, 12, 13 und 14, des Widerstandes 10, der Kupferleiterbahnen 5, 7, 9, 11 und 16 sowie der Aluminiumplatte 2. Die Transistoren 4, 6, 8, 12, 13 und 14, der Widerstand 10, die Kupferleiterbahnen 5, 7, 9, 11 und 16 und die Aluminiumplatte 2 bilden einen Pulswechselrichter 33 mit drei Transistorpaaren 4 und 12, 6 und 13, 8 und 14 aus. Das erste Transistorpaar 4 und 12 wird von dem ersten und dem vierten in Reihe geschalteten Transistoren 4 und 12, das zweite Transistorpaar 6 und 13 wird von dem zweiten und dem fünften in Reihe geschalteten Transistoren 6 und 13 und das dritte Transistorpaar 8 und 14 wird von dem dritten und dem sechsten in Reihe geschalteten Transistoren 8 und 14 gebildet. Zwischen den Transistoren 4 und 12 des ersten Transistorpaares 4 und 12 ist ein erster Anschluss 17 angeordnet, der von den drei ersten Bonddrähte 17 gebildet ist und mittels dessen der Strom der Phase U von dem Drehstromgenerator abgreifbar ist. Zwischen den Transistoren 6 und 13 des zweiten Transistorpaares 6 und 13 ist ein zweiter Anschluss 18 angeordnet, der von den drei zweiten Bonddrähte 18 gebildet ist und mittels dessen der Strom der Phase V von dem Drehstromgenerator abgreifbar ist. Zwischen den Transistoren 8 und 14 des dritten Transistorpaares 8 und 14 ist ein dritter Anschluss 19 angeordnet, der von den drei dritten Bonddrähte 19 gebildet ist und mittels dessen der Strom der Phase W von dem Drehstromgenerator abgreifbar ist. Die drei Transistorenpaare 4 und 12, 6 und 13, 8 und 14 sind parallel zueinander angeordnet und so über die Sammelleitungen 2 und 16, die von der Aluminiumplatte 2 und der fünften Kupferleiterbahn 16 gebildet sind, untereinander verbunden, das auf den Sammelleitungen 2 und 16 ein Pulswechselstrom erzeugt und abgreifbar ist. Der Pulswechselrichter 33 ist in einem Kraftfahrzeug einsetzbar.
  • 4 zeigt das Keramik-Metall-Verbundsubstrat 1 mit der Aluminiumplatte 2 auf einem Träger 41, der Wärme ableitet und als Wärmesenke dient. Das Keramik-Metall-Verbundsubstrat 1 weist die Keramikschicht 3 zwischen der Kupferleiterbahn 5 und einer Kupferschicht 42 auf. Zwischen der Kupferschicht 42 und der Aluminiumplatte 2 ist eine Lotschicht 43, auch als Hartlotschicht 43 bezeichnet, angeordnet. Mittels der Hartlotschicht 43 ist die Aluminiumplatte 2 an dem Keramik-Metall-Verbundsubstrat 1 befestigt. Die Aluminiumplatte 2 weist an der der Hartlotschicht 43 abgewandten Seite eine Isolationsschicht 44 auf, die die Aluminiumplatte 2 elektrisch von der Wärmesenke 41 isoliert. Auf der Kupferleiterbahn 5 ist mittels einer Lotschicht 45 der erste Transistor 4 befestigt. Der erste Transistor 4 ist als Metalloxid-Halbleiter Feldeffekttransistor ausgebildet, englisch als metalloxid semiconductor field-effect-transistor oder kurz als MOS-FET bezeichnet. Auch die Transistoren 6, 8, 12, 13 und 14 sind als MOS-FETs ausgebildet.
  • Auf dem ersten MOS-FET 4 ist der Bonddraht 23 angeordnet, der eine elektrisch leitfähige Verbindung zu der Aluminiumplatte 2 herstellt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19727548 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Isolationsmaterial-Metall-Verbundsubstrat (1) mit einer Isolationsschicht (3), einer Metallleiterbahn (5, 7, 9, 11 und 16), einem Leistungsbauelement (4, 6, 8, 10, 12, 13 und 14), das auf einer Seite des Isolationsmaterial-Metall-Verbundsubstrates (1) angeordnet ist, und einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement (17–26) mit zwei Enden (30, 31), dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial-Metall-Verbundsubstrat (1) eine Metallplatte aufweist, an der ein Ende (30, 31) des elektrisch leitfähigen Verbindungselements (17–26) angeordnet ist.
  2. Keramik-Metall-Verbundsubstrat (1) mit einer Keramikschicht (3), einer Metallleiterbahn (5, 7, 9, 11 und 16), einem Leistungsbauelement (4, 6, 8, 10, 12, 13 und 14), das auf einer Seite des Keramik-Metall-Verbundsubstrates (1) angeordnet ist, und einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement (17–26) mit zwei Enden (30, 31), dadurch gekennzeichnet, dass das Keramik-Metall-Verbundsubstrat (1) eine Metallplatte aufweist, an der ein Ende (30, 31) des elektrisch leitfähigen Verbindungselements (17–26) angeordnet ist.
  3. Keramik-Metall-Verbundsubstrat (1) mit einer Keramikschicht (3), einer Metallleiterbahn (5, 7, 9, 11 und 16), einem Leistungsbauelement (4, 6, 8, 10, 12, 13 und 14), das auf einer Seite des Keramik-Metall-Verbundsubstrates (1) angeordnet ist, und einem elektrisch leitfähigen Verbindungselement (17–26) mit zwei Enden (30, 31), dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallplatte (2), die an einer Seite, die der Seite mit dem Leistungsbauelement (4, 6, 8, 10, 12, 13 und 14) abgewandt ist, an dem Keramik-Metall-Verbundsubstrat (1) angeordnet ist, eine Stufe ausbildet, auf der ein Ende (30, 31) des Verbindungselementes (17–26) angeordnet ist.
  4. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe (35) zumindest teilweise umlaufend ist.
  5. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem mehreren der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) und zumindest eine Metallleiterbahn (5, 7, 9, 11 und 16) plattenförmig ausgebildet und übereinanderliegend angeordnet sind.
  6. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem mehreren der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) und zumindest eine Metallleiterbahn (5, 7, 9, 11 und 16) mit geringem Abstand parallel zueinander angeordnet sind.
  7. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem mehreren der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) und zumindest eine Metallleiterbahn (5, 7, 9, 11 und 16) zumindest teilweise überlappen.
  8. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem mehreren der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) und zumindest eine Metallleiterbahn (5, 7, 9, 11 und 16) als Sammelschienen (2, 16) für einen Pulswechselrichter (33) verwendet sind.
  9. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem mehreren der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) und zumindest eine Metallleiterbahn (5, 7, 9, 11 und 16) als Sammelschienen (2, 16) für einen Synchrongleichrichter verwendet sind.
  10. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem mehreren der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (2) eine Aluminiumplatte ist.
  11. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach einem mehreren der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramik-Metall-Verbundsubstrat (1) mehrere als Transistoren (4, 6, 8, 12, 13 und 14) ausgebildete Leistungsbauelemente aufweist.
  12. Keramik-Metall-Verbundsubstrat nach Anspruch 8, 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss zumindest eines Transistors 4, 6, 8, 12, 13 und 14) auf eine Sammelschiene (2, 16) geschaltet ist.
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