DE102008059130B4

DE102008059130B4 - Anordnung mit einem Shuntwiderstand und Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Shuntwiderstand

Info

Publication number: DE102008059130B4
Application number: DE102008059130.0A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kanschat Peter; Dr. Schulz Martin
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: CN101483091A; DE102008059130A1; CN101483091B; US8031043B2; US20090174522A1

Abstract

Anordnung umfassendeinen Shuntwiderstand (10) mit wenigstens einem elektrisch leitenden ersten Anschlussbein (11), einem elektrisch leitenden zweiten Anschlussbein (12), sowie einem Widerstandsbereich (15), der mit dem wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbein (11) und mit dem elektrisch leitenden zweiten Anschlussbein (12) elektrisch leitend verbunden ist;einen Schaltungsträger (50) mit einer ersten Metallisierung (51) und mit einer zweiten Metallisierung (52); wobeidas wenigstens eine elektrisch leitende erste Anschlussbein (11) mit der ersten Metallisierung (51) verbunden ist und wobei das elektrisch leitende zweite Anschlussbein (12) mit der zweiten Metallisierung (52) verbunden ist; undwobei der Widerstandsbereich (15) den Schaltungsträger (50) unmittelbar kontaktiert und/oder wobei ein wärmeleitendes Füllmaterial (30), das eine Wärmeleitfähigkeit (A) von mehr als 1 W·K-1·m-1aufweist, zwischen dem Schaltungsträger (50) und dem Widerstandsbereich (15) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Shuntwiderstand und ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Shuntwiderstand. Shuntwiderstände werden dazu verwendet, elektrische Ströme, z.B. in Leistungshalbleitermodulen, genau zu ermitteln. Herkömmliche Shuntwiderstände erstrecken sich über eine große Fläche und sind elektrisch, z.B. durch Löten, mit einem Schaltungsträger verbunden. Physikalisch werden zwei einander widersprechende Eigenschaften benötigt. Die erste ist ein relativ hoher elektrischer Widerstand des Shuntwiderstands, um genaue Strommessungen zu ermöglichen. Die zweite ist ein niedriger thermischer Widerstand, um eine Überhitzung aufgrund der Verlustleistung zu vermeiden. Da sich beide Eigenschaften nicht gut miteinander vereinbaren lassen, erhitzen sich Shuntwiderstände üblicherweise auf hohe Temperaturen, weshalb es zu einer Degeneration und damit einhergehend zu einer Delamination des Shuntwiderstands kommen kann. Dies ist einer der Gründe, warum Shuntwiderstände üblicher Weise für bestimmte Maximaltemperaturen, z.B. 250 °C, spezifiziert sind.
Aus DE 201 17 650 U1 ist ein oberflächenmontierbarer elektrischer Widerstand bekannt, der ein plattenförmiges Widerstandselement aufweist, sowie zwei durch das Widerstandselement voneinander getrennte Anschlusselemente aus Metall hoher Leitfähigkeit. Die dem Widerstandselement abgewandten Enden der Anschlusselemente sind parallel zu der Hauptflächenebene des Widerstandselements relativ zueinander bewegbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungsanordnung mit einem Shuntwiderstand und ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung mit einem Shuntwiderstand bereitzustellen, bei der eine Überhitzung des Shuntwiderstands vermieden wird und die auf einfache Weise hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 19 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Shuntwiderstand. Der Shuntwiderstand weist wenigstens ein elektrisch leitendes erstes Anschlussbein, ein elektrisch leitendes zweites Anschlussbein und einen Widerstandsbereich auf. Der Widerstandsbereich ist mit dem wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbein und mit dem elektrisch leitenden zweiten Anschlussbein elektrisch leitend verbunden. Die Anordnung umfasst weiterhin einen Schaltungsträger mit einer ersten Metallisierung und mit einer zweiten Metallisierung. Das wenigstens eine elektrisch leitende erste Anschlussbein ist mit der ersten Metallisierung verbunden und das elektrisch leitende zweite Anschlussbein ist mit der zweiten Metallisierung verbunden. Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kühlpfad von dem Widerstandsbereich zum Schaltungsträger erzeugt. Der Kühlpfad kann durch ein wärmeleitendes Füllmaterial realisiert werden, das eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W·K^-1·m^-1 aufweist und das zwischen dem Schaltungsträger und dem Widerstandsbereich angeordnet ist. Ebenso gut kann der Kühlpfad durch einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem Widerstandsbereich und dem Schaltungsträger realisiert werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Verbinden eines Shuntwiderstands mit einem Schaltungsträger. Bei dem Verfahren wird ein Schaltungsträger bereitgestellt, der wenigstens ein elektrisch leitendes erstes Anschlussbein und ein elektrisch leitendes zweites Anschlussbein aufweist, sowie einen zwischen dem wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbein und dem elektrisch leitenden zweiten Anschlussbein angeordneten und mit diesen elektrisch verbundenen Widerstandsbereich. Weiterhin wird ein Schaltungsträger bereitgestellt, der eine erste Metallisierung und eine zweite Metallisierung aufweist. Der Shuntwiderstand wird so auf dem Schaltungsträger positioniert, dass das wenigstens eine elektrisch leitende erste Anschlussbein die erste Metallisierung kontaktiert, und dass das elektrisch leitende zweite Anschlussbein die zweite Metallisierung kontaktiert. Dann werden das wenigstens eine elektrisch leitende erste Anschlussbein mit der ersten Metallisierung und das elektrisch leitende zweite Anschlussbein mit der zweiten Metallisierung unter Verwendung einer Ultraschallbondtechnik verbunden.
Das Verfahren wird so durchgeführt, dass ein wärmeleitendes Füllmaterial, das eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W·K-¹·m^-1 aufweist, zwischen dem Schaltungsträger und dem Widerstandsbereich angeordnet wird, und/oder so, dass der Widerstandsbereich nach dem Verbinden den Schaltungsträger unmittelbar kontaktiert.
Die Erfindung kann bezugnehmend auf die folgenden Zeichnungen und deren Beschreibung besser verstanden werden. Die in den Figuren dargestellten Komponenten sind nicht notwendigerweise maßstäblich dargestellt, sondern der Schwerpunkt wurde darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. Weiterhin bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Shuntwiderstands, der vier Anschlussbeine aufweist;
2A ist eine perspektivische Ansicht eines Shuntwiderstands, der mit einem Schaltungsträger verbunden ist, wobei der Shuntwiderstand genau zwei Anschlussbeine aufweist;
2B zeigt den Shuntwiderstand gemäß 2A, nachdem ein wärmeleitendes Füllmaterial zwischen dem Shuntwiderstand und dem Schaltungsträger angeordnet wurde;
3 ist eine Draufsicht auf den mit einem Schaltungsträger verbundenen Shuntwiderstand gemäß 1;
4 ist eine Draufsicht auf den mit einem Schaltungsträger verbundenen Shuntwiderstand gemäß den 2A und 2B, wobei der Shuntwiderstand zwei Bondflächen aufweist, die mittels Bonddrähten mit der Metallisierung des Schaltungsträgers elektrisch verbunden sind;
5 ist eine Querschnittsansicht der Anordnung gemäß 4 in einer Schnittebene A-A', wobei das wärmeleitende Füllmaterial zwischen dem Widerstandsbereich und dem Schaltungsträger angeordnet ist;
6A ist eine Seitenansicht des Schaltungsträgers, mit dem ein Shuntwiderstand verbunden werden soll;
6B ist eine Seitenansicht des Schaltungsträgers gemäß 6A, mit dem ein Shuntwiderstand mittels einer gegabelten Sonotrode ultraschallgebondet wird;
6C ist eine Seitenansicht des Shuntwiderstands gemäß 6B nach dem Bondprozess und nachdem ein wärmeleitendes Füllmaterial zwischen dem Widerstandsbereich und dem Schaltungsträger angeordnet wurde, sowie nachdem der Shuntwiderstand mittels Bonddrähten mit Metallisierungen des Schaltungsträgers elektrisch verbunden wurde;
7A ist eine Seitenansicht eines Schaltungsträgers, mit dem ein Shuntwiderstand verbunden werden soll;
7B ist eine Seitenansicht des Schaltungsträgers gemäß 7A, auf dem ein wärmeleitendes Material angeordnet ist;
7C ist eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 7B, wobei ein Shuntwiderstand auf dem Wärme leitenden Material angeordnet ist;
7D ist eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 7C, während der Shuntwiderstand mittels einer gegabelten Sonotrode an den Schaltungsträger ultraschallgebondet wird;
7E zeigt die Anordnung gemäß 7D nach dem Entfernen der Sonotrode;
8A ist eine Seitenansicht eines Shuntwiderstands, der vier federnde Anschlussbeine aufweist, die mittels der Sonotrode gegen den Schaltungsträger gepresst werden, um die Anschlussbeine vorzuspannen und diese an den Schaltungsträger zu bonden;
8B ist eine vergrößerte Ansicht eines der Anschlussbeine gemäß 8A;
8C ist eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 8A, wobei die federnden Anschlussbeine mittels einer Sonotrode gegen den Schaltungsträger gepresst werden;
8D ist eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 8C nach dem Entfernen der Sonotrode;
9 ist eine Seitenansicht eines Shuntwiderstands, der Anschlussbeine aufweist, von denen jedes einen am Ende des jeweiligen Anschlussbein angeordneten, flachen Flansch aufweist;
10 ist eine Seitenansicht eines Schaltungsträgers, der beispielhaft als isoliertes Metallsubstrat (IMS-Substrat) ausgebildet ist.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Shuntwiderstands 10. Der Shuntwiderstand 10 weist ein erstes Anschlussbein 11, ein zweites Anschlussbein 12, ein optionales drittes Anschlussbein 13 und ein optionales viertes Anschlussbein 14 auf. Jedes der Anschlussbeine 11, 12, 13, 14 weist einen Flansch 11a, 12a (in 1 verdeckt), 13a bzw. 14a auf. Ein Widerstandsbereich 15, der einen vorgegebenen elektrischen Widerstandsbereich aufweist, ist zwischen dem ersten Anschlussbein 11 und dem zweiten Anschlussbein 12 sowie zwischen dem dritten Anschlussbein 13 und dem vierten Anschlussbein 14 angeordnet. Im Vergleich zu dem Widerstandsbereich 15 weisen das erste Anschlussbein 11 und das zweite Anschlussbein 12 einen geringen elektrischen Widerstand auf. Der Widerstandsbereich kann beispielsweise aus einer metallischen Legierung gebildet sein, deren Widerstand eine geringe Temperaturabhängigkeit besitzt. Handelsüblich verfügbare Beispiele sind Manganin ^® (das zum Beispiel etwa 82 Gew% Kupfer [Gew% = Gewichtsprozent], 12 Gew% bis 15 Gew% Mangan, 2 Gew% bis 4 Gew% Nickel aufweisen kann), Konstantan ^® (das zum Beispiel etwa 55 Gew% Kupfer, 44 Gew% Nickel und 1 Gew% Mangan aufweisen kann), oder andere Legierungen.
Wenn zwischen dem ersten Anschlussbein 11 und dem zweiten Anschlussbein 12 ein elektrischer Strom fließt, so muss der Strom den Widerstandsbereich 15 passieren. Dies verursacht einen Spannungsabfall, der mittels eines Spannungsmessgerätes gemessen werden kann, das an das dritte Anschlussbein 13 und das vierte Anschlussbein 14 angeschlossen ist. Aus der gemessenen Spannung und dem bekannten Widerstand des Widerstandsbereichs 15 kann der elektrische Strom durch den Widerstandsbereich präzise berechnet werden.
2A ist eine Seitenansicht eines anderen Beispiels eines Shuntwiderstands 10. Der Shuntwiderstand 10, der mit einem Schaltungsträger 50 verbunden ist, weist ein erstes Anschlussbein 11 und ein zweites Anschlussbein 12 auf. Der ein Substrat 56 umfassende Schaltungsträger 50 weist eine erste Metallisierung 51 und eine zweite Metallisierung 52 auf, die voneinander beanstandet sind. Die Metallisierungen 51, 52 können beispielsweise Kupfer oder Aluminium aufweisen oder daraus bestehen und sind an einem Substrat 56 befestigt, das aus einem thermisch leitenden, dielektrischen Material wie zum Beispiel Al₂O₃, Si₃N₄, AlN, oder einer anderen Keramik ebenso gebildet sein kann wie aus einem IMS (isolierten Metallsubstrat; IMS = insulated metal substrat) oder einer Epoxid-PCB Platine mit thermischen Durchkontaktierungen. Der Schmelzpunkt der Metallisierungen 51, 52 ist signifikant höher als der Schmelzpunkt von herkömmlichem Lot.
Das erste Anschlussbein 11 kann direkt an die erste Metallisierung 51 ultraschallgebondet sein, das zweite Anschlussbein 12 kann direkt an die zweite Metallisierung 52 ultraschallgebondet sein. „Direkt“ bedeutet „unmittelbar“ in dem Sinn, dass zumindest an einer Stelle des Bondbereichs kein weiteres Material zwischen den Anschlussbeinen 11, 12 und der betreffenden Metallisierung 51 bzw. 52 angeordnet ist. Jedoch kann die Metallisierung 51, 52 alternativ als Mehrschichtmetallisierung ausgebildet sein, die wenigstens zwei Teil-Metallisierungsschichten umfasst. Im Fall eines Shuntwiderstands 10, der zusätzlich ein drittes und ein viertes Anschlussbein 13 bzw. 14 aufweist, können die zusätzlichen Anschlussbeine 13, 14 ebenso an zugehörige Metallisierungen des Substrates 56 ultraschallgebondet werden.
In 2A weist der Shuntwiderstands 10 zusätzlich eine erste Bondfläche 21 auf, die zwischen dem ersten Anschlussbein 11 und dem Widerstandsbereich 15 angeordnet ist, sowie eine zweite Bondfläche 22, die zwischen dem zweiten Anschlussbein 12 und dem Widerstandsbereich 15 angeordnet ist. Beide Bondflächen 21, 22 sind nahe an dem Widerstandsbereich 15 angeordnet und dienen als Bondflächen, um Bonddrähte zum Abgreifen des Spannungsabfalls über dem Widerstandsbereich 15 anbringen zu können. Optional kann die erste Bondfläche 21 als ebener Oberflächenabschnitt des ersten Anschlussbeins 11 ausgebildet sein. Entsprechend kann die zweite Bondfläche 22 optional als ebener Oberflächenabschnitt des zweiten Anschlussbeins 12 ausgebildet sein. derartige ebene Oberflächenabschnitte 21, 22 können parallel zu dem Schaltungsträger 50 verlaufen. Weiterhin sind solche ebenen Oberflächenabschnitte 21, 22 groß genug, um das Anbringen eines Bondrahtes zu ermöglichen, der beispielsweise aus Aluminium, Kupfer oder Gold bestehen oder einen solchen Stoff enthalten kann. Die erforderliche Größe solcher ebenen Oberflächenabschnitte 21, 22 hängt von der Größe ab, die der Bonddraht nach dem Bonden aufweist, sowie vom Bondverfahren. Beispielsweise wird für eine 400 um Aluminium-Wedgebondung eine Bondfläche in der Größenordnung von mehr als 1000 um × 600 µm benötigt. Allgemein kann die Größe des ebenen Oberflächenabschnitts 21, 22 im Bereich von 0,1 mm × 0,1 mm bis 0,8 mm × 2,0 mm liegen. In Abhängigkeit von dem für den Bonddraht gewählten Material können die Metallisierungen 51, 52 eine Vergütungsbeschichtung, beispielsweise eine Ni-Au Beschichtung, aufweisen, um die Bondfähigkeit zu verbessern.
Wie in 2B gezeigt ist, kann ein wärmeleitendes Füllmaterial 30 vor oder nach dem Verbinden des Shuntwiderstands 10 mit dem Schaltungsträger 50 zwischen dem Widerstandsbereich 15 und dem Schaltungsträger 50 angeordnet werden. Das wärmeleitende Füllmaterial 30 kontaktiert den Schaltungsträger 50 und den Widerstandsbereich 15. Das wärmeleitende Füllmaterial 30 weist eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1 W·K^-1·m^-1 auf. Genauer ausgedrückt muss die Wärmeleitfähigkeit A des wärmeleitenden Füllmaterials 30 so gewählt werden, dass der Wärmefluss durch das Füllmaterial einen beträchtlichen Anteil ΔP der im Widerstandsbereich des Shuntwiderstands dissipierten Leistung P ausmacht. Wenn A die Fläche des Widerstandsbereichs 15 des Shuntwiderstands bezeichnet, d den senkrechten Abstand zwischen dem Widerstandsbereich 15 und dem Schaltungsträger 50, und ΔT den Temperaturunterschied zwischen dem Widerstandsbereich 15 und dem Schaltungsträger 50, so errechnet sich die erforderliche Wärmeleitfähigkeit A wie folgt: $λ = (Δ P \cdot d) / (Δ T \cdot A)$
Um zum Beispiel bei ΔT=100 K 30 % einer Verlustleistung von 8 W innerhalb einer Fläche A des Widerstandsbereichs 15 von 25 mm² abzuführen, die sich 1 mm oberhalb des Substrats 56 befindet, ist eine Wärmeleitfähigkeit A = 0,96 W·K^-1·m^-1 erforderlich.
Wenn das wärmeleitende Füllmaterial 30 ein Dielektrikum ist, darf es direkt mit dem Shuntwiderstand 30 und den Metallisierungen 51, 52 in Kontakt kommen, ohne dass dadurch das Ergebnis der Widerstandsmessung beeinflusst wird. Allerdings ist im Fall eines elektrisch leitenden Füllmaterials 30 ein Isolationsmittel zwischen dem Füllmaterial 30 und den Metallisierungen 51, 52 sowie zwischen dem Füllmaterial 30 und dem Widerstandsbereich 15 erforderlich. In diesem Fall muss die Wärmeleitfähigkeit A gemäß Gleichung (1) als Effektivwert der Isolation und des Füllmaterials bestimmt werden.
Ein zur Verwendung als Wärmeleitendes Füllmaterial 30 geeignetes Material ist beispielsweise Keramik.
3 ist eine Draufsicht am Schaltungsträger 50 angeschlossenen Shuntwiderstand 10 gemäß 1. Hierbei weist der Schaltungsträger 50 eine dielektrische Keramikschicht 56 auf, sowie Metallisierungen 51, 52, 53, 54, die mit der dielektrischen Keramikschicht 56 verbunden sind. Der Flansch 11a des ersten Anschlussbeins 11 und der Flansch 12a Anschlussbeins 12 sind an die betreffenden Metallisierungen 51 und 52 ultraschallgebondet. Entsprechend sind der Flansch 13a des dritten Anschlussbeins 13 und der Flansch 14a des vierten Anschlussbeins 14 an die betreffenden Metallisierungen 53 und 54 ultraschallgebondet. Das dritte Anschlussbein 13, das vierte Anschlussbein 14 und die Metallisierungen 53, 54 dienen dazu, den Spannungsabfall über der Widerstandsfläche 15 aufzugreifen. Der Shuntwiderstand weist optionale Bondflächen 21, 22 auf, die zusätzlich oder alternativ zum Abgreifen des Spannungsabfalls über dem Widerstandsbereich 15 verwendet werden können.
4 ist eine Draufsicht auf einen identisch mit dem Shuntwiderstand 10 gemäß den 2A und 2B ausgestalteten Shuntwiderstand 10. Der Shuntwiderstand 10 ist auf Metallisierungen 51, 52 eines Schaltungsträgers 50 gebondet. Abweichend von der Anordnung gemäß den 2A und 2B weist der Schaltungsträger 50 eine dritte Metallisierung 53 auf, mit der die erste Bondfläche 21 verbunden ist, sowie eine vierte Metallisierung 54, mit der die zweite Bondfläche 22 verbunden ist. Um den Spannungsabfall über der Widerstandsfläche 15 zu ermitteln ist jede der Bondflächen 21, 22 mittels Bonddrähten 41 bzw. 42 an die betreffende Metallisierung 53 bzw. 54 des Substrates 50 angeschlossen. Die Metallisierung 53 und 54 können an ein hochohmiges Spannungsmessgerät angeschlossen sein. Die Bonddrähte 41, 42 können beispielsweise Aluminium (Al), Kupfer (Cu) oder Gold (Au) aufweisen oder aus einem dieser Materialien oder einer Legierung mit einem dieser Materialien, z. B. AlMg, bestehen.
In der Anordnung gemäß 5, welche eine Querschnittsansicht der Anordnung gemäß 4 in einer Schnittebene A-A' darstellt, ist ein wärmeleitendes Füllmaterial 30 zwischen dem Widerstandsbereich 15 und dem Substrat 50 angeordnet. Das wärmeleitende Füllmaterial 30 dient dazu, Wärme von dem Widerstandsbereich 15 zum Schaltungsträger 50 hin abzuleiten. Das wärmeleitende Füllmaterial 30, das eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen kann, die in Übereinstimmung mit Gleichung (1) gewählt ist und die zum Beispiel zwischen 1 W·K^-1·m^-1 und 50 W·K^-1·m^-1 betragen kann, kann das Substrat 50 und/oder den Widerstandsbereich 15 unmittelbar kontaktieren.
Die 6A bis 6C sind Seitenansichten, die verschiedene Schütte eines ersten Verfahrens zur Herstellung einer Anordnung umfassend einen Schaltungsträger 50, einen mit dem Entscheidungsträger 50 verbundenen Shuntwiderstands 10, und eines zwischen dem Schaltungsträger 50 und dem Widerstandsbereich 15 des Shuntwiderstands 10 angeordneten wärmeleitenden Füllmaterials 30 zeigt, wie sie in 4 gezeigt ist. In einem ersten Schritt wird ein Schaltungsträger 50 bereitgestellt, der ein dielektrisches Substrat 56, voneinander beanstandete obere Metallisierungen 51, 52, sowie eine unsere Metallisierung 55 aufweist. Das Substrat 56 kann ein keramisches Material, beispielsweise Al₂O₃, bei dem es sich um ein Dielektrikum handelt, aufweisen oder daraus bestehen.
In einem weiteren Schritt wird der Shuntwiderstand 10 so auf dem Schaltungsträger 50 platziert, dass der Flansch 11a die erste Metallisierung 51 unmittelbar kontaktiert und dass der Flansch 12a die zweite Metallisierung 52 unmittelbar kontaktiert. Anstelle eines unmittelbaren Kontaktes zwischen den Flanschen 11a, 12a und der betreffenden Metallisierung 51, 52 kann wenigstens einer der Flansche 11a, 12a von der Metallisierung 51, 52, an die er gebondet wird, beabstandet bleiben.
Danach erzeugt eine Sonotrode 80 eine Abwärtskraft F auf die Anschlussbeine 11 und 12, zum Beispiel auf deren Flansche 11a bzw. 12a, so dass der Shuntwiderstand 10 gegen den Schaltungsträger 50 gepresst wird. Zusätzlich zu der Abwärtskraft F erzeugt die Sonotrode 80 Ultraschallwellen, die auf die Flansche 11a und 12a übertragen werden, was zu einer stabilen Verbindung zwischen dem Anschlussbeinen 11, 12 und den betreffenden Metallisierungen 51, 52 führt. Da die Sonotrode 80 gegabelt ist und zwei Schenkel 81 und 82 aufweist, können die Anschlussbeine 11, 12 des Shuntwiderstands 10 gleichzeitig in einem Bondschritt ultraschallgebondet werden.
Im Fall eines Shuntwiderstands 10, der mehr als zwei Anschlussbeine 11, 12 aufweist, können die weiteren Anschlussbeine (siehe beispielsweise in den 1 und 3 das dritte und vierte Anschlussbein 13 bzw. 14) auf die gleiche Weise und/oder gleichzeitig während desselben Bondschrittes mit den betreffenden Metallisierungen (siehe zum Beispiel in 3 die Metallisierungen 53 und 54) wie das erste und zweite Anschlussbein 11 bzw. 12.
In dem Beispiel gemäß den 6A bis 6C wurde das Füllmaterial 30 zwischen dem Schaltungsträger 50 und dem Widerstandsbereich 15 angeordnet, nachdem der Shuntwiderstand 10 an den Schaltungsträger 50 gebondet wurde. In einem alternativen Beispiel zeigen 7A bis 7E verschiedene Schritte eines Verfahrens, bei dem das Füllmaterial 30 zwischen dem Schaltungsträger 50 und dem Widerstandsbereich 15 angeordnet wurde, bevor der Shuntwiderstand 10 an den Schaltungsträger 50 gebondet wurde.
In einem ersten in 7A gezeigten Schritt wird ein Schaltungsträger 50 bereitgestellt, der ein dialektisches Substrat 56, voneinander beabstandete obere Metallisierungen 51, 52 sowie eine untere Metallisierung 55 aufweist. Der Schaltungsträger 50 ist ebenso zusammengesetzt und/oder aus denselben Materialien gebildet mit der Schaltungsträger 50 gemäß 6A.
Danach wird, wie in 7B gezeigt, ein wärmeleitendes Füllmaterial 30, beispielsweise eine gesinterte dielektrische Keramik, auf dem Schaltungsträger 50 angeordnet. In 7B ist das wärmeleitende Füllmaterial 30 so zwischen den Metallisierungen 51 und 52 angeordnet, dass es das Substrat 56 kontaktiert. Alternativ dazu kann das wärmeleitende Füllmaterial 30 auf der Oberseite des Randbereichs wenigstens einer der Metallisierungen 51,52 und/oder auf der Oberseite einer weiteren Metallisierung zwischen den Metallisierungen 51 und 52 angeordnet werden. Beispielsweise kann das wärmeleitende Füllmaterial als inelastischer kubischer Körper mit einer oberen Fläche 30t und einer unteren Fläche 30b ausgebildet sein.
In einem weiteren in 7C gezeigten Schritt wird der Shuntwiderstand 10 so auf dem Schaltungsträger 50 platziert, dass eine untere Fläche 15b des Widerstandsbereichs 15 die obere Fläche 30t des wärmeleitenden Füllmaterials 30 kontaktiert. Weiterhin wird der Flansch 11a des ersten Anschlussbeins 11 auf oder oberhalb der ersten Metallisierung 51 und der Flansch 12a des zweiten Anschlussbeins 12 auf oder oberhalb der zweiten Metallisierung 52 angeordnet. In Abhängigkeit von den Geometrien des Shuntwiderstands 10 und des wärmeleitenden Füllmaterials 30 kann wenigstens einer der Flansche 11a und 12a - wenn die untere Fläche 15b der Widerstandsfläche 15 obere Fläche 30t des wärmeleitenden Füllmaterials 30 kontaktiert - von der betreffenden Metallisierung 51, 52 einen Abstand d1 aufweisen. Alternativ dazu kann - wenn die untere Fläche 15b der Widerstandsfläche 15 obere Fläche 30t des wärmeleitenden Füllmaterials 30 kontaktiert - wenigstens einer der Flansche 11a, 12a die betreffende Metallisierung 51, 52 unmittelbar kontaktieren.
Wie in 7D gezeigt ist, applizieren die Enden 81, 82 einer gegabelten Sonotrode 80 eine Abwärtskraft F auf die Anschlussbeine 11 und 12, zum Beispiel auf deren Flansche 11a bzw. 12a, so dass die Flansche 11a und 12a gegen den Schaltungsträger 50 gepresst werden. Zusätzlich zu der Abwärtskraft F stellt die Sonotrode 80 Ultraschallwellen bereit, die auf die Flansche 11a und 12a übertragen werden, was eine feste Verbindung zwischen den Anschlussbeinen 11, 12 und betreffenden Metallisierungen 51 bzw. 52 bewirkt. Da die Sonotrode 80 gegabelt ist und zwei Schenkel 81 und 82 aufweist, können die Anschlussbeine 11,12 des Shuntwiderstands 10 gleichzeitig in einem einzigen Bondschritt an das Substrat 50 ultraschallgebondet werden. Aufgrund des vor dem Bondprozess vorliegenden Abstandes d1 zwischen wenigstens einem der Flansche 11a und 12a und der betreffenden Metallisierung 51, 52 (siehe 7C) werden die Anschlussbeine 11, 12 während des Bondprozesses vorgespannt und dienen als Federn, so dass der Widerstandsbereich 15 gegen das wärmeleitende Füllmaterial 30 und das wärmeleitende Füllmaterial 30 gegen den Schaltungsträger 50 gepresst werden. Dies gewährleistet aufgrund einer Wärmeableitung von dem Widerstandsbereich 15 zum Schaltungsträger 50 eine Kühlung des Widerstandsbereichs 15. 7E zeigt die Anordnung nach dem Bondprozess und nach dem Entfernen der Sonotrode 80.
In dem Beispiel gemäß den 7A bis 7E wird eine Wärmeübertragung von dem Widerstandsbereich 15 zum Schaltungsträger 50 durch eine Vorspannung der Anschlussbeine 11,12 ermöglicht, aufgrund der der Widerstandsbereich 15 gegen das wärmeleitende Füllmaterial 30 und das wärmeleitende Füllmaterial 30 gegen den Schaltungsträger 50 gepresst wird. In einem alternativen, in 8A gezeigten Beispiel wird der Widerstandsbereich 15 so gegen den Schaltungsträger 50 gepresst, dass er den Schaltungsträger 50 unmittelbar kontaktiert.
Bei der Anordnung gemäß 8A wird Entscheidungsträger 50 bereitgestellt. Der Schaltungsträger 50 an auf die gleiche Weise ausgestaltet und/oder aus denselben Materialien gebildet seien sie der anhand der 6A und 7A erläuterte Schaltungsträger 50. Ein Shuntwiderstand 10, der ein erstes Anschlussbein 11, ein zweites Anschlussbein 12, und eine zwischen den Anschlussbeinen 11, 12 angeordnete Widerstandsfläche 15 aufweist, wird so auf dem Schaltungsträger 50 platziert, dass die Unterseite 15b des Widerstandsbereichs 15 die Oberfläche des Schaltungsträgers 50 unmittelbar kontaktiert. In 8A kontaktiert die Unterseite 15b des Widerstandsbereichs 15 das Substrat 56 unmittelbar.
8B ist eine vergrößerte Ansicht des vorgesehenen Bondbereichs zwischen dem zweiten Anschlussbein 12 und der zweiten, in 8A gezeigten Metallisierung 52. Der zweite Schenkel 82 der gegabelten Sonotrode 80 wirkt auf einen Abschnitt 12b des zweiten Anschlussbeins 12 ein, wobei der Abschnitt 12b - wenn die Unterseite 15b des Widerstandsbereichs 15 den Schaltungsträger 50 (siehe 8A) kontaktiert und wenn die Abwärtskraft F auf den Abschnitt 12b einzuwirken beginnt - von der zweiten Metallisierung 52 einen Abstand d2 aufweist. Während des Bondprozesses presst die Sonotrode 80 das zweite Anschlussbein 12 gegen Entscheidungsträger 50, wodurch sich der Abstand zwischen dem Abschnitt 12b und Entscheidungsträger 50 verringert. Dieses Vorgehen bewirkt eine Vorspannung des zweiten Anschlussbeins 12, so dass der Widerstandsbereich 15 - wie in 8C gezeigt - gegen den Schaltungsträger 50 gepresst wird. Auf die gleiche Weise kann das erste Anschlussbein 11 auf die erste Metallisierung 51 gebondet und dabei vorgespannt werden. Nach dem Verbinden des ersten Anschlussbeins 11 mit der ersten Metallisierung 51 und nach dem Verbinden des zweiten Anschlussbeins 12 mit der zweiten Metallisierung 52 kontaktiert der Abschnitt 12b die zweite Metallisierung 52 vollständig. 8D zeigt die Anordnung nach dem Entfernen der Sonotrode 80 und nach dem Bonden von Bonddrähten 41, 42 an Bondbereiche 21 bzw. 22 der Anschlussbeine 11 bzw. 12.
Bei der Anordnung gemäß 8A kontaktieren die freien Ende Anschlussbeine 11, 12 die Metallisierungen 51 bzw. 52, wenn die Oberseite 15b des Widerstandsbereichs 15 den Schaltungsträger 50 kontaktiert. Abweichend von den in Bezug auf die 8A, 8B und 8C erläuterten Schritten kann der Effekt des Vorspannens wenigstens eines der Anschlussbeine 11, 12 während des Bondprozesses auch erreicht werden, wenn die Enden des ersten und zweiten Anschlussbeins 11 bzw. 12 vor dem Anwenden einer Abwärtskraft der Sonotrode 80 auf die Anschlussbeine 11 und 12 die betreffende Metallisierung 51 bzw. 52 nicht kontaktieren. Dies erfordert im Fall einer im wesentlichen flachen Oberseite des Schaltungsträgers 50 dass sich das erste und zweite Anschlussbein 11 bzw. 12 vor dem Bonden nicht bis zur Ebene B-B' der Unterseite 15b des Widerstandsbereichs 15 erstrecken oder diese Ebene B-B' durchkreuzen.
Ein derartiger Shuntwiderstand 10 ist in 9 gezeigt. Das erste und zweite Anschlussbein 11, 12 des Shuntwiderstands 10 weisen Flansche 11a bzw. 12a auf, die am freien Ende des betreffenden Anschlussbeins 11,12 angeordnet sind. In einer Richtung senkrecht zur Unterseite 15b des Widerstandsbereichs 15 sind die Flansche 11a und 12a von der Ebene B-B' der Unterseite 15b in einem Abstand d3 beabstandet. Die Flansche 11a und 12a können beispielsweise ebene Unterseiten 11b bzw. 12b aufweisen, die parallel zu der Ebene B-B' verlaufen.
In den vorangehenden Ausführungsbeispielen wurde ein auf einem dielektrischen Keramiksubstrat 56 basierender Schaltungsträger 50 erläutert. Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch in gleicher Weise auf jeden anderen Schaltungsträger 50, der Metallisierungen 51, 52 aufweist. Beispielsweise kann ein Schaltungsträger 50 als isoliertes Metallsubstrat (IMS Substrat) ausgebildet sein. Ein Beispiel eines solchen auf der IMS Technologie basierenden Schaltungsträgers 50 ist in 10 gezeigt. Der Schaltungsträger 50 weist eine Metallisierungsschicht 57 auf, die eine Isolationsschicht 58 trägt. Auf der Isolationsschicht 58 sind zwei Metallisierungen 51,52 angeordnet. Die Metallisierungsschicht 57 besteht aus einem Metall oder einer Legierung mit wenigstens einem Metall oder weist ein Metall oder eine Legierung mit wenigstens einem Metall auf, wobei in das Metall in allen genannten Fällen beispielsweise Aluminium oder Kupfer sein kann. Die Isolationsschicht 58 isoliert die Metallisierungen 51,52 elektrisch gegenüber der Metallschicht 57 und kann zum Beispiel aus Epoxydharz gebildet sein.
Wie vorangehend erläutert besteht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, zwei oder mehr Anschlussbeine eines Shuntwiderstands gleichzeitig, d.h. während eines gemeinsamen Bondschrittes, unter Verwendung einer gegabelten Sonotrode an einen Schaltungsträger zu bonden. Diese Methode kann ebenso bei Anordnungen angewendet werden, bei denen der Shuntwiderstand ohne ein zwischen dem Widerstandsbereich und dem Schaltungsträger angeordnetes, wärmeleitendes Füllmaterial an einen Schaltungsträger gebondet wird, und ohne dass der Widerstandsbereich den Schaltungsträger unmittelbar kontaktiert. Weiterhin können die Verbindungen bei den vorangehend erläuterten Anordnungen anstelle durch Ultraschallbonden auch durch Hochfrequenzschweißtechnik, durch Laserschweißtechnik, durch Punktschweißtechnik, oder durch Rotationsreibschweißtechnik hergestellt werden.
Obwohl verschiedene Beispiele zur Realisierung der Erfindung offenbart wurden, ist es für Fachleute erkennbar, dass verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, mit denen ebenso einige Vorteile der Erfindung erzielt werden können, dabei den Gedanke und den Bereich der Erfindung zu verlassen. Es wird für diejenigen, die ein vernünftiges Fachwissen besitzen, offensichtlich sein, dass Komponenten durch geeignete andere Komponenten, die dieselbe Wirkung zeigen, ersetzt werden können. Es ist beabsichtigt, dass derartige Modifikationen des Erfindungskonzepts durch die beigefügten Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims

Anordnung umfassend einen Shuntwiderstand (10) mit wenigstens einem elektrisch leitenden ersten Anschlussbein (11), einem elektrisch leitenden zweiten Anschlussbein (12), sowie einem Widerstandsbereich (15), der mit dem wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbein (11) und mit dem elektrisch leitenden zweiten Anschlussbein (12) elektrisch leitend verbunden ist; einen Schaltungsträger (50) mit einer ersten Metallisierung (51) und mit einer zweiten Metallisierung (52); wobei das wenigstens eine elektrisch leitende erste Anschlussbein (11) mit der ersten Metallisierung (51) verbunden ist und wobei das elektrisch leitende zweite Anschlussbein (12) mit der zweiten Metallisierung (52) verbunden ist; und wobei der Widerstandsbereich (15) den Schaltungsträger (50) unmittelbar kontaktiert und/oder wobei ein wärmeleitendes Füllmaterial (30), das eine Wärmeleitfähigkeit (A) von mehr als 1 W·K^-1·m^-1 aufweist, zwischen dem Schaltungsträger (50) und dem Widerstandsbereich (15) angeordnet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der ein zwischen dem Schaltungsträger (50) und dem Widerstandsbereich (15) angeordnetes wärmeleitendes Füllmaterial (30) den Schaltungsträger (50) kontaktiert.
Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der ein zwischen dem Schaltungsträger (50) und dem Widerstandsbereich (15) angeordnetes wärmeleitendes Füllmaterial (30) den Widerstandsbereich (15) kontaktiert.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das wärmeleitende Füllmaterial (30) aus einem keramischen Material besteht oder wenigstens 50 Gewichtsprozent keramisches Material aufweist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein erster Bondbereich (21) zwischen dem wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbein (11) und dem Widerstandsbereich (15) angeordnet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 5 mit einem ersten Bonddraht (41), der an eine dritte Metallisierung (53) des Schaltungsträgers (50) und an den ersten Bondbereich (21) gebondet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der der erste Bondbereich (21) als ebener Oberflächenabschnitt des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) ausgebildet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 7, bei der der ebene Oberflächenabschnitt des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) parallel zum Schaltungsträger (50) verläuft.
Anordnung gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der der ebene Oberflächenabschnitt des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) eine Fläche im Bereich von 0,1 mm × 0,1 mm bis 0,8 mm × 2,0 mm aufweist.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9 mit einem zweiten Bondbereich (22), der zwischen dem elektrisch leitenden zweiten Anschlussbein (12) und dem Widerstandsbereich (15) angeordnet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 10 mit einem zweiten Bonddraht (42), der an eine vierte Metallisierung (54) des Schaltungsträgers (50) und an den zweiten Bondbereich (22) gebondet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 10 oder 11, bei der der zweite Bondbereich (22) als ebener Oberflächenabschnitt des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) ausgebildet ist.
Anordnung gemäß Anspruch 12, bei der der ebene Oberflächenabschnitt des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) parallel zum Schaltungsträger (50) verläuft.
Anordnung gemäß Anspruch 12 oder 13, bei der der ebene Oberflächenabschnitt des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) eine Fläche im Bereich von 0,1 mm × 0,1 mm bis 0,8 mm × 2,0 mm aufweist.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Widerstandsbereich durch eine Federspannung des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) und/oder des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) mittelbar oder unmittelbar gegen den Schaltungsträger (50) gepresst wird.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Schaltungsträger (50) ein Keramikmaterial aufweist oder aus einem Keramikmaterial besteht.
Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der der Schaltungsträger (50) ein isoliertes Metallsubstrat (IMS) aufweist.
Anordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das wenigstens eine elektrisch leitende erste Anschlussbein (11) unmittelbar mit der ersten Metallisierung (51) verbunden ist und/oder bei der das elektrisch leitenden zweite Anschlussbein (12) unmittelbar mit der zweiten Metallisierung (52) verbunden ist.
Verfahren zum Verbinden eines Shuntwiderstands (10) und eines Schaltungsträgers (50), das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Shuntwiderstands (10), der wenigstens ein elektrisch leitendes erstes Anschlussbein (11) und ein elektrisch leitendes zweites Anschlussbein (12) aufweist, sowie einen Widerstandsbereich (15), der mit dem wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbein (11) und mit dem elektrisch leitenden zweiten Anschlussbein (12) elektrisch leitend verbunden ist; Bereitstellen eines Schaltungsträgers (50), der eine erste Metallisierung (51) und eine zweite Metallisierung (52) aufweist; Positionieren des Shuntwiderstands (10) auf dem Schaltungsträger (50), so dass das wenigstens eine elektrisch leitende erste Anschlussbein (11) die erste Metallisierung (51) kontaktiert, und dass das elektrisch leitende zweite Anschlussbein (12) die zweite Metallisierung (52) kontaktiert; Verbinden des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) mit der ersten Metallisierung (51) und Verbinden des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) mit der zweiten Metallisierung (52) mittels einer Ultraschallbondtechnik; wobei - ein wärmeleitendes Füllmaterial (30), das eine Wärmeleitfähigkeit (λ) von mehr als 1 W·K^-1·m^-1 aufweist, zwischen dem Schaltungsträger (50) und dem Widerstandsbereich (15) angeordnet wird; und/oder - der Widerstandsbereich (15) nach dem Verbinden den Schaltungsträger (50) unmittelbar kontaktiert.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem das Verbinden des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) mit der ersten Metallisierung (51) und das Verbinden des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) mit der zweiten Metallisierung (52) den Teilschritt des Bereitstellens einer gegabelten Sonotrode (80) umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem das Verbinden des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) mit der ersten Metallisierung (51) und das Verbinden des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) mit der zweiten Metallisierung (52) gleichzeitig und mittels einer Ultraschallbondtechnik erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei dem das Anordnen des wärmeleitenden Füllmaterials (30) vor dem Verbinden des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) mit der ersten Metallisierung (51) und/oder vor dem Verbinden des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) mit der zweiten Metallisierung (52) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem das Anordnen des wärmeleitenden Füllmaterials (30) nach dem Verbinden des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) mit der ersten Metallisierung (51) und/oder nach dem Verbinden des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) mit der zweiten Metallisierung (52) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, bei dem auf wenigstens einen Abschnitt (12b) des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) und/oder des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) eine Abwärtskraft (F) ausgeübt wird, und bei dem der wenigstens eine Abschnitt (12b) bei Beginn des Einwirkens der Abwärtskraft (F) vom Schaltungsträger (50) beabstandet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 24, bei dem der wenigstens eine Abschnitt (12b) nach dem Verbinden des wenigstens einen elektrisch leitenden ersten Anschlussbeins (11) mit der ersten Metallisierung (51) und/oder nach dem Verbinden des elektrisch leitenden zweiten Anschlussbeins (12) mit der zweiten Metallisierung (52) die erste Metallisierung (51) oder die zweite Metallisierung (52) vollständig kontaktiert.