DE102012222459A1

DE102012222459A1 - Schaltungsanordnung, Herstellungsverfahren für eine Schaltungsanordnung und Verfahren zum Schutz einer Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102012222459A1
Application number: DE102012222459.9A
Authority: DE
Inventors: Kai Kriegel; Karl Weidner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Schaltungsanordnung mit einem Substrat, auf welchem Schaltungselemente angeordnet sind, mindestens einem Metallreservoir, welches mindestens ein elektrisch leitfähiges Metall aufweist, und einer Isolierschicht die das mindestens eine Metallreservoir von den Schaltungselementen elektrisch isoliert, wobei das Metallreservoir dazu ausgebildet ist, in der Schaltungsanordnung bei auftretenden Überströmen mindestens eines der Schaltungselemente zu kühlen, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern. Ferner offenbart die vorliegende Patentanmeldung ein Herstellverfahren und ein Verfahren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, ein entsprechendes Herstellverfahren für eine Schaltungsanordnung und ein entsprechendes Verfahren zum Schutz einer Schaltungsanordnung.
Technischer Hintergrund
Elektrische Schaltungen werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Dabei spielen elektrische Schaltungen z.B. insbesondere bei der Erzeugung erneuerbaren Energien eine große Rolle.
Bei der Erzeugung erneuerbarer Energien werden z.B. Leistungsschaltelemente genutzt, um elektrische Hochspannungen zu erzeugen oder um Spannungen gleich- oder wechselzurichten. Solche elektrischen Schaltungen werden natürlich auch in der herkömmlichen Energieerzeugung und in anderen Einsatzgebieten eingesetzt.
In elektrischen Schaltungen, insbesondere in Hochspannungs- bzw. Hochleistungsschaltungen, können sich Lichtbögen bilden, wenn z.B. eine spannungsführende Leitung unterbrochen wird oder wenn ein Kontakt geöffnet oder geschlossen wird.
Spannungsführende Leitungen in elektrischen Schaltungen können z.B. unterbrochen werden, wenn die spannungsführende Leitung auf Grund von Überströmen überlastet wird und z.B. schmilzt.
In elektrischen Schaltungen, welche z.B. Leistungshalbleiter aufweisen, werden die Leistungshalbleiter mittels Bond-Drähten kontaktiert. Die Bond-Drähte weisen üblicherweise einen kleinen Querschnitt auf. Daher werden in Abhängigkeit von der zu transportierenden elektrischen Leistung eine Vielzahl von Bond-Drähten für eine elektrische Kontaktierung eines Leistungshalbleiters genutzt.
Da die Bond-Drähte jedoch einen geringen Querschnitt aufweisen, können die Bond-Drähte bei Überlastung, insbesondere durch hohe Ströme, schnell aufgeschmolzen und damit auch unterbrochen werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit bereitzustellen, Schaltungsanordnungen vor einer Beschädigung durch einen Lichtbogen zu schützen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Demgemäß ist vorgesehen:

– Eine Schaltungsanordnung mit einem Substrat, auf welchem Schaltungselemente angeordnet sind, mit mindestens einem Metallreservoir, welches mindestens ein elektrisch leitfähiges Metall aufweist, und mit einer Isolierschicht, die das mindestens eine Metallreservoir von den Schaltungselementen elektrisch isoliert, wobei das Metallreservoir dazu ausgebildet ist, in der Schaltungsanordnung bei auftretenden Überströmen mindestens eines der Schaltungselemente zu kühlen, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern.
– Ein Herstellungsverfahren für eine Schaltungsanordnung, mit den Schritten: Anordnen von Schaltungselementen auf einem Substrat, Anordnen einer Isolierschicht derart, dass die Isolierschicht dazu ausgebildet ist, mindestens ein Metallreservoir von den Schaltungselementen elektrisch zu isolieren, und Anordnen eines Metallreservoirs derart, dass das Metallreservoir in der Schaltungsanordnung bei auftretenden Überströmen mindestens eines der Schaltungselemente kühlt, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern.
– Ein Verfahren zum Schutz einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, mit den Schritten: Kühlen mindestens eines der Schaltungselemente und/oder Ableiten von Fehlerströmen in der Schaltungsanordnung mittels eines Metallreservoirs, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern, Ausbilden einer Hohlverbindung zwischen den Schaltungselementen und mindestens einem der Metallreservoirs in der ersten Isolierschicht bei Erreichen einer ersten Grenztemperatur, und Verflüssigen mindestens eines der Metalle mindestens eines der Metallreservoirs bei Erreichen einer zweiten Grenztemperatur, wobei das verflüssigte Metall durch die Hohlverbindungen fließt und eine elektrische Verbindung mit mindestens einem Schaltungselement herstellt, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern.

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass eine Schaltungsanordnung geschützt werden kann, indem man diese Abschaltet, bevor ein Lichtbogen entsteht.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Möglichkeit vorzusehen, die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern, um z.B. einen elektrischen Verbraucher, welcher einen Überstrom verursacht, abschalten zu können, bevor sich ein Lichtbogen bildet.
Dazu sieht die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung vor, bei welcher auf einem Substrat Schaltungselemente angeordnet sind, die zumindest teilweise von einer Isolierschicht überdeckt sind. Ferner sieht die vorliegende Erfindung mindestens ein Metallreservoir vor, welches in der Nähe der Schaltungselemente angeordnet ist und welches durch die Isolierschicht elektrisch von den Schaltungselementen isoliert wird.
Insbesondere die gute Wärmeleitfähigkeit von Metallen und die Anordnung des Metallreservoirs in der Nähe der Schaltungselemente ermöglicht eine Kühlung der Schaltungselemente für den Fall, dass ein Überstrom die Schaltungselemente übermäßig erhitzt. Gleichzeitig ermöglicht die Isolierschicht die elektrische Isolation des Metallreservoirs und damit einen ungestörten Betrieb der Schaltungselemente.
Sollten Schaltungselemente in der Schaltungsanordnung eine erhöhte Temperatur, z.B. auf Grund von Überströmen in der Schaltungsanordnung, aufweisen, wird diese erhöhte Temperatur durch die Isolierschicht auf das Metallreservoir thermisch übertragen bzw. abgeleitet und so das Schmelzen z.B. einer Leiterbahn oder eines Bonddrahtes innerhalb der Schaltungsanordnung verzögert.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es durch Verzögern der Entstehung des Lichtbogens einer z.B. zu der Schaltungsanordnung extern angeordneten Überwachungselektronik die Stromzufuhr zu der Schaltungsanordnung noch rechtzeitig zu unterbrechen und so eine Zerstörung der gesamten Schaltungsanordnung zu verhindern.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metallreservoirs dazu ausgebildet, Fehlerströme in der Schaltungsanordnung abzuleiten, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern. Hierdurch kann eine Zerstörung von Schaltungselementen durch einen Lichtbogen verhindert werden.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metallreservoirs flächig ausgebildet und als Metallschicht über der Isolierschicht angeordnet. Dies vergrößert die Fläche des Metallreservoirs und verbessert somit die Fähigkeit des Metallreservoirs Wärme abzuleiten. Ferner kann dadurch ein Metallreservoir über der gesamten Schaltungsanordnung in einem einzelnen Arbeitsschritt angeordnet werden.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metallreservoirs gegenüber mindestens einem der Schaltungselemente örtlich begrenzt ausgebildet. Dies ermöglicht es, die Metallreservoirs von ihrer geometrischen Dimensionierung her an die Größe und Form der einzelnen Schaltungselemente der Schaltungsanordnung anzupassen.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metallreservoirs als mit Metall gefüllt Vertiefung in dem Substrat ausgebildet. Dadurch kann eine größere Menge Metall in einem räumlich begrenzten Raum angeordnet werden.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metallreservoirs als im Wesentlichen tropfenförmiges Metallreservoir, welches auf dem Substrat angeordnet ist, ausgebildet. Dadurch kann ebenfalls eine größere Menge Metall in einem räumlich begrenzten Raum angeordnet werden.
In einer Ausführungsform weist mindestens eines der Metallreservoirs mindestens zwei nicht miteinander legierte Metalle mit unterschiedlichen Schmelzpunkten auf. Hierdurch wird gewährleistet, dass eines der Metalle bei einer relativ niedrigen Temperatur schmilzt und so die jeweiligen Schaltungselemente besser umschließt bzw. beim Schmelzen eine erhöhte Wärmemenge aufnimmt.
In einer Ausführungsform sind in mindestens einem der Metallreservoirs die Metalle entsprechend ihrem jeweiligen Schmelzpunkt in Schichten angeordnet, wobei die Schicht mit dem niedrigsten Schmelzpunkt an der Isolierschicht vorgesehen ist. Dies ermöglicht es, durch die gezielte Anpassung der einzelnen Metallschichten über einen großen Temperaturbereich eine geeignete Kühlung zu erreichen.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metalle der Metallreservoirs als ein niedrigschmelzendes Metall ausgebildet. Unter niedrigschmelzenden Metallen werden dabei Metalle verstanden, die einen Schmelzpunkt zwischen 0°C und 250°C, insbesondere zwischen 80°C und 200°C, und insbesondere zwischen 100°C und 150°C haben.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metalle der Metallreservoirs als ein hochschmelzendes Metall ausgebildet. Unter hochschmelzenden Metallen werden dabei Metalle verstanden, die einen Schmelzpunkt von über 250°C aufweisen.
In einer Ausführungsform ist die Isolierschicht derart ausgebildet, dass die Isolierschicht bei Erreichen einer ersten Grenztemperatur eine Hohlverbindung zwischen den Schaltungselementen und mindestens einem der Metallreservoirs ausbildet. Dies ermöglicht eine direkte elektrische Verbindung zwischen den Schaltungselementen und dem Metall des Metallreservoirs. Dadurch können z.B. Ströme, insbesondere Fehlerströme, durch das Metallreservoir elektrisch abgeleitet werden.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metalle mindestens eines der Metallreservoirs derart ausgebildet, dass sich das Metall bei Erreichen einer zweiten Grenztemperatur verflüssigt und durch die Hohlverbindungen fließt und eine elektrische Verbindung mit mindestens einem Schaltungselement herstellt, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern. Dies ermöglicht es, die elektrische Verbindung des Schaltungselementes, z.B. einer Leiterbahn oder eines Bond-Drahtes, aufrechtzuerhalten, selbst wenn diese auf Grund thermischer Einflüsse bereits aufgeschmolzen ist.
In einer Ausführungsform ist das Metallreservoir durch eine zweite Isolierschicht gekapselt, so dass das verflüssigte Metall lediglich durch die Hohlverbindungen der zwischen den Schaltungselementen und dem Metallreservoir liegenden Isolierschicht fließen kann. Dadurch wird sichergestellt, dass das verflüssigte Metall durch die Hohlverbindungen fließt und die Entstehung eines Lichtbogens verzögert.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metallreservoirs elektrisch leitend mit einem elektrischen Leiter der Schaltungsanordnung gekoppelt. Dies ermöglicht es, Fehlerströme eines der Schaltungselemente gezielt an den jeweiligen elektrischen Leiter abzuleiten. Dadurch kann z.B. ein defektes Schaltungselement überbrückt werden.
In einer Ausführungsform sind auf jeder der zwei Seiten des Substrats Schaltungselemente und eine entsprechende Isolierschicht und mindestens ein entsprechendes Metallreservoir angeordnet. Dies ermöglicht eine optimale Ausnutzung der Fläche des Substrats.
In einer Ausführungsform wird diejenige Seite der Isolierschicht und/oder der Metallreservoirs, welche den Schaltungselementen abgewandt ist, durch ein Kühlmittel gekühlt.
In einer Ausführungsform ist die Schaltungsanordnung eine planare Schaltungsanordnung, die z.B. mit Hilfe der Siemens SiPLIT-Technik hergestellt wurde.
In einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in der Schaltungsanordnung mindestens eine Leiterbahn vorgesehen, die eine Verjüngung aufweist, wobei die Verjüngung derart dimensioniert ist, dass die Leiterbahn an der Verjüngung bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzstroms aufschmilzt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, Schaltungsanordnungen mit einem integrierten Lichtbogenschutz bereitzustellen. Ferner kann ein gesichertes Abschalten von Schaltungsanordnungen auch im Fehlerfall, d.h. bei Überströmen, erfolgen.
Die vorliegende Erfindung bietet ferner eine effektive (passive und/oder aktive) Kühlung der Schaltungselemente der Schaltungsanordnung. Dies ermöglicht es, eine sehr große Leistungsdichte mit einer hohen thermischen und mechanischen Zuverlässigkeit bereitzustellen. Eine Reduzierung des Bauraums der Schaltungsanordnung wird ebenfalls ermöglicht.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Inhaltsangabe der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung;
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens;
3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz einer Schaltungsanordnung;
4 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Im Rahmen der vorliegenden Patentanmeldung ist unter einer Schaltungsanordnung eine elektrische Schaltung zu verstehen, die diskret oder integriert aufgebaut sein kann. Die Schaltungsanordnung kann auch eine Kombination von diskreten Bauelementen und integrierten Schaltkreisen aufweisen.
Unter einem Substrat ist ein Trägersubstrat zu verstehen, auf welchem die Schaltungselemente der Schaltungsanordnung aufgebracht und elektrisch verbunden bzw. kontaktiert werden. Das Substrat kann z.B. ein Keramik-Substrat sein. Das Substrat kann aber auch jedes andere Material sein, dass zum Aufbau elektrischer Schaltungen geeignet ist. Dies kann z.B. ein FR-4 Platinen-Substrat sein.
Als Schaltungselemente sind alle Elemente anzusehen, die der elektrischen Funktion der Schaltungsanordnung dienen. Dies können z.B. integrierte Schaltkreise, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten oder dergleichen sein. Schaltungselemente können aber auch passive Elemente, wie z.B. Leiterbahnen, Stecker, elektrische Kontakte oder dergleichen sein.
Als Metallreservoir wird jedes Volumen verstanden, welches mindestens ein Metall aufweist. Dabei ist die geometrische Ausgestaltung des jeweiligen Metallreservoirs nicht vorgegeben. Ferner weist das Metallreservoir selbst keine Verkapselung auf. Vielmehr besteht das Metallreservoir nur aus den darin enthaltenen Metallen.
Der Begriff der Isolierschicht bezieht sich auf eine Isolierschicht, die über der eigentlichen Schaltung oder zumindest über einzelnen Schaltungselementen der Schaltungsanordnung angeordnet ist und für den Betrieb der Schaltungsanordnung im Normalbetrieb nicht zwingend notwendig ist. Das heißt, dass die Schaltungsanordnung weiterhin ihre Funktion erfüllt, wenn kein Fehlerfall vorliegt und die Isolierschicht zusammen mit den Metallreservoirs entfernt wird. Die Isolierschicht bezieht sich somit nicht auf herkömmliche Isolierschichten, die z.B. übereinander gestapelte oder nebeneinander angeordnete Schaltungselemente gegeneinander elektrisch voneinander isolieren, um deren einwandfreie Funktion sicherzustellen.
Unter dem Begriff der Überströme Ströme sind elektrische Ströme zu verstehen, die derart hoch sind, dass sie zu einer Beeinträchtigung oder Zerstörung einzelner Schaltungselemente oder sogar der gesamten Schaltungsanordnung führen können, sofern diese Überströme eine gewisse Zeit in der Schaltungsanordnung auftreten.
Fehlerströme bezeichnen Ströme, die von einem Schaltelement über ein Metallreservoir, z.B. gegen Masse oder einen anderen elektrischen Anschluss der Schaltungsanordnung, abgeleitet werden.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1.
Das Substrat 2 ist ein flach ausgebildetes Trägersubstrat 2, welches in der Schnittansicht als Balken dargestellt ist, auf welchem Schaltungselemente 3-1–3-3 angeordnet sind.
Das Schaltungselement 3-1 ist als rechteckiges Schaltungselement 3-1 am rechten Rand des Substrats 2 angeordnet. Ferner ist das Schaltungselement 3-3 als rechteckiges Schaltungselement 3-3 am linken Rand des Substrats 2 angeordnet. Dabei ist das Schaltungselement 3-3 etwa zweieinhalb Mal so breit, wie das Schaltungselement 3-1. Zwischen den Schaltungselementen 3-1 und 3-3 ist ein Abstand, der etwa doppelt so breit ist, wie das Schaltungselement 3-1.
Die Schaltungselemente 3-1 und 3-3 können z.B. Halbleiterschaltungen sein, welche auf dem Substrat 2 angeordnet werden. Dabei können die Schaltungselemente 3-1 und 3-3 mit dem Substrat 2 z.B. verlötet, verklebt oder anderweitig verbunden werden.
In 1 ist ein weiteres Schaltungselement 3-2 dargestellt. welches zwischen den zwei Schaltungselementen 3-1 und 3-3 auf dem Substrat 2 verläuft und welches sich jeweils etwa bis zur Hälfte der Breite der Schaltungselementen 3-1 und 3-3 über die Schaltungselementen 3-1 und 3-3 erstreckt.
Das Schaltungselement 3-3 kann z.B. eine Leiterbahn sein, die nach dem Siemens SiPLIT-Verfahren auf dem Substrat 2 aufgebracht wurde, um eine elektrische Kontaktierung der Schaltungselemente 3-1 und 3-3 herzustellen.
In 1 ist über den Schaltungselementen 3-1 und 3-3 eine Isolierschicht 6 derart angeordnet, dass diese die Schaltungselemente 3-1 und 3-3 komplett von der Isolierschicht 6 überdeckt werden. An derjenigen Stelle, an der das Schaltungselement 3-2 zwischen den Schaltungselementen 3-1 und 3-2 verläuft, bildet sich eine Vertiefung in der Isolierschicht 6.
In dieser Vertiefung, die sich in der Isolierschicht 6 bildet, ist ein Metallreservoir 4-1 angeordnet, das aus einem elektrisch leitfähigen Metall Ma besteht.
In 1 wird deutlich, wie das Metallreservoir 4-1 zur Kühlung, insbesondere des Schaltungselements 3-2, beitragen kann. Erhitzt sich das Schaltungselement 3-2 so kann das Metallreservoir 4-1 Wärmeenergie aufnehmen, die durch die Isolierschicht 6 tritt. So wird z.B. das Aufschmelzen des Schaltungselements 3-2 verzögert.
Weitere Ausführungsformen der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung sind ebenfalls möglich.
In einer Ausführungsform wird die Oberseite der Isolierschicht 6 und des Metallreservoirs 4-1 durch ein Kühlmittel gekühlt, welches z.B. in einem Gehäuse, in welchem die Schaltungsanordnung 1 angeordnet ist, vorhanden sein kann.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metalle Ma–Md der Metallreservoirs 4-1–4-n als ein niedrigschmelzendes Metall ausgebildet.
In einer Ausführungsform ist mindestens eines der Metalle Ma–Md der Metallreservoirs 4-1–4-n als ein hochschmelzendes Metall ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform sind auf jeder der zwei Seiten des Substrats 2 Schaltungselemente 3-1–3-n und eine entsprechende Isolierschicht 6 sowie mindestens ein entsprechendes Metallreservoir 4-1–4-n angeordnet.
In einer Ausführungsform werden Isolierfolien vorgesehen, die einen Stapel aus zwei Isolierschichten 6 und 7 aufweisen und eingeschlossene Metallfolien aufweisen. Die Metallfolien können dabei aus unterschiedlichen Metallen Ma–Md gefertigt sein, die unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen.
Insbesondere können die Metallfolien entsprechend dem Schmelzpunkt der einzelnen Metalle Ma–Md nacheinander angeordnet werden.
Die Isolierfolien können auf der Schaltungsanordnung 1 aufgebracht, z.B. aufgeklebt, werden.
In einer Ausführungsform ist die Isolierschicht 6 und/oder ein flächiges Metallreservoir 4-1–4-n derart über den Schaltungskomponenten 3-1–3-n der Schaltungsanordnung 1 angeordnet und mit dem Substrat 2 verbunden, dass die Schaltungskomponenten 3-1–3-n nach außen hermetisch abgeschlossen sind.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
Das Herstellungsverfahren sieht in einem ersten Schritt S1 das Anordnen S1 von Schaltungselementen 3-1–3-n auf einem Substrat 2 vor. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt das Anordnen S2 einer Isolierschicht 6
Schließlich ist in einem dritten Schritt S3 das Anordnen S3 mindestens eines Metallreservoirs 4-1–4-n vorgesehen. Dabei wird das mindestens eine Metallreservoir 4-1–4-n derart angeordnet, dass das Metallreservoir 4-1–4-n in der Schaltungsanordnung 1 bei auftretenden Überströmen mindestens eines der Schaltungselemente 3-1–3-n kühlt, um die Entstehung eines Lichtbogens an mindestens einem der Schaltungselemente 3-1–3-n zu verzögern.
Die Isolierschicht 6 wird derart angeordnet, dass die Isolierschicht 6 mindestens ein Metallreservoir 4-1–4-n von den Schaltungselementen 3-1–3-n elektrisch isolieren kann.
Weitere Schritte sind ebenfalls möglich. So können in einer Ausführungsform mehrere Schichten unterschiedlicher Metalle Ma–Md gestapelt werden, um eines der Metallreservoirs 4-1–4-n zu erzeugen.
Ferner können Schaltungselemente 3-1–3-n, eine Isolierschicht 6 und mindestens ein Metallreservoir 4-1–4-n auf beiden Seiten des Substrats 2 angeordnet werden.
In einer Ausführungsform werden Isolierfolien angefertigt, die einen Stapel aus zwei Isolierschichten 6 und 7 aufweisen und eingeschlossene Metallfolien aufweisen.
Solche Isolierfolien können in einer Ausführungsform vorgefertigt werden und dann auf der Schaltungsanordnung 1 aufgebracht, z.B. aufgeklebt werden.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schutz einer Schaltungsanordnung 1.
Das Verfahren umfasst das Kühlen S11 mindestens eines der Schaltungselemente 3-1–3-n und/oder das Ableiten von Fehlerströmen in der Schaltungsanordnung mittels eines Metallreservoirs 4-1–4-n, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern.
Ferner sieht das Verfahren in einem zweiten Schritt S12 vor, eine Hohlverbindung 12-1–12-n zwischen den Schaltungselementen 3-1–3-n und mindestens einem der Metallreservoirs 4-1–4-n in der ersten Isolierschicht 6 bei Erreichen einer ersten Grenztemperatur auszubilden. Dieser Schritt kann z.B. durch eine geeignete Auswahl eines geeigneten Materials für die Isolierschicht 6 automatisiert werden. Dabei wird das Material der Isolierschicht 6 derart gewählt, dass die Isolierschicht 6 bei einer gewünschten vorgegebenen Temperatur aufreißt bzw. Risse bildet.
In einem letzten Schritt S13 umfasst das Verfahren das Verflüssigen S13 mindestens eines der Metalle Ma–Md mindestens eines der Metallreservoirs 4-1–4-n bei Erreichen einer zweiten Grenztemperatur, wobei das verflüssigte Metall Ma - Md durch die in 4 dargestellten Hohlverbindungen 12-1–12-n fließt und eine elektrische Verbindung mit mindestens einem Schaltungselement 3-1–3-n herstellt, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern.
4 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 1.
Die Schaltungsanordnung 1 in 4 unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung 1 in 1 dahingehend, dass die Schaltungsanordnung 1 in 4 ein weiteres Schaltungselement 3-n aufweist, welches in 4 rechts von dem Schaltungselement 3-1 angeordnet ist und welches elektrisch leitend mit dem Metallreservoir 4-1 verbunden ist (wie durch einen Pfeil von dem Metallreservoir 4-1 zu dem Schaltungselement 3-1 dargestellt).
Ferner enthält die Schaltungsanordnung 1 in 4 ein weiteres Metallreservoir 4-2, welches mittig auf dem Schaltungselement 3-3 angeordnet ist und welches drei nicht miteinander legierte Metallschichten 9-1, 9-2 und 9-3 aufweist. Dabei besteht die oberste Metallschicht 9-1 aus einem Metall Mb, die mittlere Metallschicht 9-2 aus einem Metall Mc und die untere Metallschicht 9-3, welche Kontakt zur Isolierschicht 6 hat, aus einem Metall Md. Über dem Metallreservoir 4-2 ist eine weitere Isolierschicht 7 angeordnet. Diese sorgt dafür, das beim Schmelzen eines der Metalle Mb–Md sich das geschmolzene Metall nicht über die gesamte Schaltungsanordnung 1 verteilt sondern lokal über dem Schaltungselement 3-3 gehalten wird. In einer Ausführungsform weist das Metall Md den niedrigsten Schmelzpunkt auf. Das Metall Mc weist den zweitniedrigsten Schmelzpunkt auf und das Metall Mb weist den höchsten Schmelzpunkt auf. Jede einzelne Metallschicht 9-1–9-3 kann in einer Ausführungsform auch aus einer Legierung bestehen.
Die Schaltungsanordnung 1 in 4 weist ferner ein Metallreservoir 4-3 auf, welches in einer Vertiefung 10 des Substrats 2 angeordnet ist und sich zwischen dem Schaltungselement 3-1 und dem Schaltungselement 3-n befindet. Die Vertiefung 10 kann in einer Ausführungsform auch als Via 10 ausgebildet sein.
Das Metall Ma–Mb, welches sich in dem Metallreservoir 4-3 befindet, ist in einer Ausführungsform derart gewählt, dass es sich bei Erwärmung ausdehnt und so eine elektrische Verbindung mit einem der Schaltungselemente 3-1–3-n herstellt.
Ferner weist die Schaltungsanordnung 1 in 4 ein Metallreservoir 4-4 auf, welches als im Wesentlichen tropfenförmiges Metallreservoir 4-4 in 4 links neben dem Schaltungselement 3-3 auf dem Substrat 2 angeordnet ist und von diesem durch die Isolierschicht 6 getrennt wird.
Die Isolierschicht 6 weist unter dem Metallreservoir 4-2 drei Hohlverbindungen 12-1–12-3 auf, durch welche verflüssigtes Metall Ma–Mb eine elektrisch leitende Verbindung mit dem Schaltungselement 3-2 herstellen kann. Die Hohlverbindungen 12-1–12-3 sind in 4 nur exemplarisch dargestellt. In weiteren Ausführungsformen bilden sich die Hohlverbindungen 12-1–12-3 in der Isolierschicht 6 in Abhängigkeit von der in den Schaltungselementen 3-1–3-n entstehenden Wärme. Eines der Metalle Ma–Md mindestens eines der Metallreservoirs 4-1–4-n ist derart ausgebildet, dass sich das Metall Ma–Md bei Erreichen einer zweiten Grenztemperatur verflüssigt und durch die Hohlverbindungen 12-1–12-n fließt und eine elektrische Verbindung mit mindestens einem Schaltungselement 3-1–3-n herstellt. Dadurch kann z.B. eine Unterbrechung des Stromflusses verzögert werden, bis das entsprechende Metall Ma–Md selbst verdampft.
Dazu ist in einer Ausführungsform die Isolierschicht 6 derart dimensioniert, dass die Isolierschicht 6 bei Erreichen einer ersten Grenztemperatur mindestens eine Hohlverbindung 12-1–12-n zwischen einem der Schaltungselemente 3-1–3-n und mindestens einem der Metallreservoirs 4-1–4-n ausbildet.
In einer weiteren Ausführungsform sind, z.B. an den Rändern der Schaltungselemente 3-1–3-n, Gräben in dem Substrat 2 vorgesehen, die verflüssigtes Metall leiten können. In einem mit verflüssigtem Metall gefüllten Zustand können die Gräben als elektrische Leiter dienen.
In einer Ausführungsform ist eines der Schaltungselemente 3-1–3-n als Leiterbahn mit einer Verjüngung ausgebildet. Dabei ist die Verjüngung derart dimensioniert, dass die Leiterbahn an der Verjüngung aufschmilzt, wenn ein Grenzwert für den durch die Leiterbahn fließenden Strom überschritten wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Die 1 und 4 zeigen die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer mittels der Siemens SiPLIT-Technik gefertigten Schaltungsanordnung 1.
In weiteren Ausführungsformen kann die vorliegende Erfindung aber auch mit Schaltungsanordnungen genutzt werden, bei welchen die einzelnen Schaltungskomponenten mittels Bond-Drähten miteinander verbunden sind.
In solchen Ausführungsformen kann die Isolierschicht 6 z.B. die Bond-Drähte umschließen.

Claims

Schaltungsanordnung (1), mit einem Substrat (2), auf welchem Schaltungselemente (3-1–3-n) angeordnet sind; mindestens einem Metallreservoir (4-1–4-n), welches mindestens ein elektrisch leitfähiges Metall (Ma–Md) aufweist; einer Isolierschicht (6), die das mindestens eine Metallreservoir (4-1–4-n) von den Schaltungselementen (3-1–3-n) elektrisch isoliert; wobei das Metallreservoir (4-1–4-n) dazu ausgebildet ist, in der Schaltungsanordnung (1) bei auftretenden Überströmen mindestens eines der Schaltungselemente (3-1–3-n) zu kühlen, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Metallreservoirs (4-1–4-n) dazu ausgebildet ist, Fehlerströme in der Schaltungsanordnung (1) abzuleiten, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei mindestens eines der Metallreservoirs (4-1–4-n) flächig ausgebildet ist und als Metallschicht (9-1–9-n) über der Isolierschicht (6) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eines der Metallreservoirs (4-1–4-n) gegenüber mindestens einem der Schaltungselemente (3-1–3-n) örtlich begrenzt ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei mindestens eines der Metallreservoirs (4-1–4-n) als mit Metall (Ma–Md) gefüllt Vertiefung (10) in dem Substrat (2) ausgebildet ist; und/oder wobei mindestens eines der Metallreservoirs (4-1–4-n) als im Wesentlichen tropfenförmiges Metallreservoir (4-4), welches auf dem Substrat (2) angeordnet ist, ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens eines der Metallreservoirs (4-1–4-n) mindestens zwei nicht miteinander legierte Metalle (Ma–Md) mit unterschiedlichen Schmelzpunkten aufweist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei in mindestens einem der Metallreservoirs (4-1–4-n) die Metalle (Ma–Md) entsprechend der jeweiligen Schmelzpunkte in Schichten, beginnend mit Metall(Ma–Md) mit dem niedrigsten Schmelzpunkt an der Isolierschicht (6), angeordnet sind.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mindestens eines der Metalle (Ma–Md) der Metallreservoirs (4-1–4-n) als ein niedrigschmelzendes Metall ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens eines der Metalle (Ma–Md) der Metallreservoirs (4-1–4-n) als ein hochschmelzendes Metall ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Isolierschicht (6) derart ausgebildet ist, dass die Isolierschicht (6) bei Erreichen einer ersten Grenztemperatur mindestens eine Hohlverbindung (12-1–12-n) zwischen den Schaltungselementen (3-1–3-n) und mindestens einem der Metallreservoirs (4-1–4-n) ausbildet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, wobei mindestens eines der Metalle (Ma–Md) mindestens eines der Metallreservoirs (4-1–4-n) derart ausgebildet ist, dass sich das Metall (Ma–Md) bei Erreichen einer zweiten Grenztemperatur verflüssigt und durch die Hohlverbindungen (12-1–12-n) fließt und eine elektrische Verbindung mit mindestens einem Schaltungselement (3-1–3-n) herstellt.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1–11, wobei mindestens eines der Metallreservoirs (4-1–4-n) elektrisch leitend mit einem elektrischen Leiter (13) der Schaltungsanordnung gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1–12, wobei auf jeder der zwei Seiten des Substrats (2) Schaltungselemente (3-1–3-n) und eine entsprechende Isolierschicht (6) und mindestens ein entsprechendes Metallreservoir (4-1–4-n) angeordnet sind.
Herstellungsverfahren für eine Schaltungsanordnung (1), mit den Schritten: Anordnen (S1) von Schaltungselementen (3-1–3-n) auf einem Substrat (2); Anordnen (S2) einer Isolierschicht (6) derart, dass die Isolierschicht (6) dazu ausgebildet ist, mindestens ein Metallreservoir (4-1–4-n) von den Schaltungselementen (3-1–3-n) elektrisch zu isolieren; Anordnen (S3) des mindestens einen Metallreservoirs (4-1–4-n) derart, dass das Metallreservoir (4-1–4-n) in der Schaltungsanordnung bei auftretenden Überströmen mindestens eines der Schaltungselemente (3-1–3-n) kühlt, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern.
Verfahren zum Schutz einer Schaltungsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1–13, mit den Schritten: Kühlen (S11) mindestens eines der Schaltungselemente (3-1–3-n) und/oder Ableiten von Fehlerströmen in der Schaltungsanordnung mittels eines Metallreservoirs (4-1–4-n), um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern; Ausbilden (S12) einer Hohlverbindung (12-1–12-n) zwischen den Schaltungselementen (3-1–3-n) und mindestens einem der Metallreservoirs (4-1–4-n) in der Isolierschicht (6) bei Erreichen einer ersten Grenztemperatur; Verflüssigen (S13) mindestens eines der Metalle (Ma–Md) mindestens eines der Metallreservoirs (4-1–4-n) bei Erreichen einer zweiten Grenztemperatur, wobei das verflüssigte Metall (Ma–Md) durch die Hohlverbindungen (12-1–12-n) fließt und eine elektrische Verbindung mit mindestens einem Schaltungselement (3-1–3-n) herstellt, um die Entstehung eines Lichtbogens zu verzögern.