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Die Erfindung betrifft eine elektronische, optoelektronische oder elektrische Anordnung mit einem Schaltungsträger und mit einer in den Schaltungsträger eingebetteten, eingesetzten oder darin ausgebildeten Komponente. Ferner betrifft die Erfindung ein elektronisches, optoelektronisches oder elektrisches Gerät oder Modul, mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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Die Trends im Bereich der Elektronik, der Optoelektronik und der Elektrik gehen hin zu immer kleineren und kompakteren Entitäten. Dies wird u. a. dadurch erreicht, dass ein z. B. auf einer Leiterplatte angeordnetes passives elektronisches oder elektrisches Bauelement durch ein in die Leiterplatte integriertes Bauelement ersetzt wird. Betrachtet man lediglich passive Bauelemente, so benötigen diese im Mittel ca. 50% einer Oberfläche einer Leiterplatte, wobei durch ein Integrieren von Bauelementen in die Leiterplatte Oberflächenbauraum eingespart werden kann. – Solche in die Leiterplatte integrierten Bauelemente werden als eingebettete Komponenten (embedded components) bezeichnet. Durch eingebettete Komponenten ergeben sich vergleichsweise kurze elektrische Verbindungsstrukturen und eine Optimierung einer Signalintegrität.
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Die Technologie der eingebetteten Komponenten dient einer Erhöhung einer Packungsdichte einer elektronischen, optoelektronischen oder elektrischen Anordnung. Bevorzugt werden hierbei ungehäuste Bauelemente, z. B. Halbleiterbauelemente, eingesetzt. – Damit entfallen Möglichkeiten zur Verbesserung oder Optimierung von Wärmepfaden, welche z. B. bei einer SMD-Montage eines Bauelements (surface-mounted device, oberflächenmontiertes Bauelement) genutzt werden können. Dies sind z. B. eine Wärmespreizung durch einen Metallblock (heat slug) als Bestandteil des Bauelements oder eine Verbesserung einer Wärmeleitfähigkeit in eine z-Richtung z. B. einer Leiterplatte, also orthogonal zu einer vergleichsweise großflächigen Seite der Leiterplatte, durch ein Vorsehen von sogenannten thermischen Vias.
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Bisher werden lediglich thermisch unkritische, z. B. passive Komponenten eingebettet. Ein Entwärmen, insbesondere ein passives Kühlen, beruht dabei auf einem Prinzip der Wärmespreizung in der Leiterplatte. Eine Entwärmung ist in deren Kapazität jedoch begrenzt, da ein betreffender Wärmepfad immer wieder von für elektronische oder elektrische Funktionen notwendige Isolatoren unterbrochen wird. Beispielsweise offenbart die
US 2009/0296349 A1 solche eingebetteten Komponenten, welche direkt innerhalb einer mehrlagigen Leiterplatte auf deren inneren Leiterbahnen elektrisch kontaktierend vorgesehen sind. Ein Wärmepfad von der betreffenden eingebetteten Komponente zu einer effektiven Wärmesenke ist von einer elektrischen und somit auch einer thermischen Isolationsschicht unterbrochen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektronische, optoelektronische oder elektrische Anordnung (Entität) mit einem Schaltungsträger und einer elektronischen, optoelektronischen oder elektrischen Komponente anzugeben. Gemäß der Erfindung soll eine thermische Anbindung der Komponente innerhalb des Schaltungsträgers verbessert sein.
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Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer elektronischen, optoelektronischen oder elektrischen Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung der Erfindung.
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Die elektronische, optoelektronische oder elektrische Anordnung weist einen Schaltungsträger auf, der ein metallisches Wärmeleitmittel enthält. Zusätzlich weist die Anordnung eine Komponente auf, die in den Schaltungsträger eingebettet, eingesetzt oder in dem Schaltungsträger ausgebildet ist. Die Komponente weist mindestens ein elektrisches, elektronisches oder optoelektronisches Bauelement auf. Bei einer Ausgestaltung weist die Komponente eine Mehrzahl von aktiven und/oder passiven elektrischen, elektronischen oder optoelektronischen Bauelementen auf. Zudem weist die Komponente eine Umverdrahtungslage auf, die einen metallischen Wärmeleitpfad enthält.
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Mittels des Wärmeleitpfads ist eine metallisch-thermische Anbindung der Umverdrahtungslage an das metallische Wärmeleitmittel des Schaltungsträgers eingerichtet. Insbesondere ist mittels eines Wärmedurchgangspfads, der den Wärmeleitpfad der Umverdrahtungslage enthält, eine metallisch-thermische Anbindung der Komponente an das metallische Wärmeleitmittel des Schaltungsträgers und/oder an die Wärmesenke eingerichtet.
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Gemäß der Erfindung ist eine besonders gute thermische Anbindung der Komponente innerhalb des Schaltungsträgers erzielbar. Hierdurch sind thermische Spitzenlasten besonders gut handhabbar. Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt mit Vorteil, dass aktive Komponenten in den Schaltungsträger eingebettet oder eingesetzt bzw. in diesem ausgebildet werden können. Beispielsweise kann damit Oberflächenbauraum auf den vergleichsweise großflächigen Seiten des Schaltungsträgers eingespart werden, um eine Packungsdichte zu erhöhen und/oder den Schaltungsträger zu verkleinern.
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Die Umverdrahtungslage ist insbesondere zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements bzw. der Bauelemente mittels dessen/deren elektrischen Anschlussvorrichtungen – beispielsweise Anschlussflächen, Anschlusspins oder Bonddrähte – ausgebildet.
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Insbesondere hat die Umverdrahtungslage erste elektrische Anschlüsse, die zur Kontaktierung der elektrischen Anschlussvorrichtungen des Bauelements bzw. der Bauelemente vorgesehen sind. In Draufsicht auf die Umverdrahtungslage überlappen die ersten elektrischen Anschlüsse und die elektrischen Anschlussvorrichtungen des Bauelements / der Bauelemente insbesondere zumindest stellenweise. Zweckmäßigerweise hat die Umverdrahtungslage zweite elektrische Anschlüsse, mittels welchen sie elektrisch an den Schaltungsträger angeschlossen ist. Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung ist je ein zweiter elektrischer Anschluss mit einem ersten elektrischen Anschluss verdrahtet, d.h. elektrisch leitend verbunden. Die Abstände benachbarter erster elektrischer Anschlüsse sind kleiner als die Abstände der zweiten elektrischen Anschlüsse. Die Umverdrahtungslage ist so insbesondere zur Vergrößerung eines Abstandsmaßes (des sogenannten "Pitch") der elektrischen Anschlüsse für den Anschluss an den Schaltungsträger ausgebildet. Eine solche Umverdrahtungslage kann auch als "Interposer" bezeichnet werden. Beispielsweise haben die ersten elektrischen Anschlüsse ein Abstandsmaß ("Pitch") von etwa 100 µm und die zweiten elektrischen Anschlüsse haben ein Abstandsmaß zwischen 200 µm und 300 µm.
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Die elektrische Kontaktierung des Bauelements bzw. der Bauelemente mit der Umverdrahtungslage erfolgt bei einer Ausgestaltung mittels einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Verdrahtungsebenen der Umverdrahtungslage, d. h. diese kann mehrlagig ausgebildet sein.
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Die Komponente ist bei einer Ausgestaltung vollständig innerhalb des Schaltungsträgers eingebettet bzw. ausgebildet. Bei einer anderen Ausgestaltung ist die Komponente nur teilweise in den Schaltungsträger eingesetzt bzw. teilweise in diesem ausgebildet. Bei dieser Ausgestaltung ist ein Abschnitt der Komponente außen am Schaltungsträger sichtbar und ragt insbesondere über den Schaltungsträger hinaus.
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Die zur Erläuterung der Erfindung verwendete Terminologie lehnt sich an die im Bereich der Wärmeübertragung gebräuchliche Terminologie an, nach welcher wenigstens eine thermische Hintereinanderschaltung von einem Wärmeleitpfad (Wärmeleitungsvorgang) und einem Wärmeübergangspfad (Wärmeübergangsvorgang) etc. bzw. umgekehrt als Wärmedurchgangspfad (Wärmedurchgang) bezeichnet ist. Der Begriff Wärmepfad bildet dabei einen materialen Oberbegriff für die funktionalen Vorgänge bei der Wärmeübertragung. – Bei der Wärmeleitung ist für eine zu transportierende Wärmemenge im Wesentlichen ein Querschnitt bzw. Volumen des betreffenden Materials verantwortlich. Diesem entsprechend kann ein Wärmeleitpfad ein Wärmepfad zum Abtransport von Wärme innerhalb eines bestimmten Materials, z. B. einer Metallschicht oder einer Leiterbahn, von einem wärmeren zu einem kälteren Ort sein, wobei der Wärmeleitpfad eine insbesondere integrale, im Sinne von monolithische (s. unten), Ausbildung besitzt.
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Bei einem Wärmeübergangspfad gelangt Wärme von einem Bauteil oder Material über eine Grenze (ggf. stofflich einstückig, nicht integrale Ausbildung) bzw. eine oder zwei Grenzflächen (Kontaktwiderstand) in ein zweites Bauteil oder Material. Hierbei können die Materialien von gleicher Art und/oder Beschaffenheit sein. Bei einer Grenze kann es sich auch um eine signifikante Änderung der beim Wärmeübergangsvorgang beteiligten Areale handeln. – Dementsprechend setzt sich ein Wärmedurchgangspfad wenigstens aus einem Wärmeleitpfad und wenigstens einem Wärmeübergangspfad zusammen. Hierbei soll ein Wärmedurchgangswiderstand, d. h. ein Wärmeübergangs- und möglichst auch ein Wärmeleitwiderstand der beteiligten Bauteile und/oder Materialen, vergleichsweise klein sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist die Anordnung zusätzlich eine Wärmesenke auf. Mittels des Wärmeleitpfads ist in diesem Fall eine insbesondere durchgängige metallisch-thermische Anbindung der Umverdrahtungslage der Komponente an die Wärmesenke eingerichtet. Dabei erfolgt die Anbindung insbesondere über das metallische Wärmeleitmittel des Schaltungsträgers.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Komponente in einem Randbereich einen metallischen Wärmeleitpfad (Wärmepfad) des Wärmedurchgangspfads (Wärmepfad) auf. Insbesondere erstreckt sich ein Bereich des metallischen Wärmeleitpfads der Umverdrahtungslage seitlich von dem Bauelement bzw. den Bauelementen zu dem metallischen Wärmeleitmittel des Schaltungsträgers hin. Der Wärmeleitpfad kann auf diese Weise eine ggf. direkte thermische Anbindung an das Wärmeleitmittel gewährleisten. Die Anbindung erfolgt bevorzugt über eine Innenwand einer Durchgangsausnehmung im Wärmeleitpfad bzw. im Interposer hinweg.
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Der Bereich des metallischen Wärmeleitpfads der Umverdrahtungslage, der sich seitlich von dem Bauelement bzw. den Bauelementen zu dem metallischen Wärmeleitmittel des Schaltungsträgers hin erstreckt, hat insbesondere mindestens eine halb so große Quer-Abmessung wie das Bauelement bzw. wie eines der Bauelemente. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente Wärmespreizung erzielbar.
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Bei einer Ausgestaltung weist die Umverdrahtungslage ein Trägersubstrat auf. Der Wärmeleitpfad weist beispielsweise eine Metallschicht, insbesondere eine Metallbahn, auf, die auf einer Hauptfläche des Trägersubstrats ausgebildet ist. Die Metallschicht ist bevorzugt zumindest stellenweise seitlich des Bauelements bzw. der Bauelemente angeordnet. Hierbei kann die Umverdrahtungslage eine Mehrzahl von Metallschichten oder Metallbahnen aufweisen. Beispielsweise weist die Umverdrahtungslage eine zweite Metallschicht auf, die auf einer der Hauptfläche gegenüberliegenden Seite auf dem Trägersubstrat ausgebildet und mittels wenigstens einer thermischen Durchkontaktierung durch das Trägersubstrat metallisch-thermisch mit der auf der Hauptfläche ausgebildeten Metallschicht verbunden ist.
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Bei einer Ausgestaltung hat der Wärmeleitpfad der Umverdrahtungslage keine beabsichtigte elektrische oder elektronische Aufgabe. Alternativ kann der Wärmeleitpfad auch eine elektrische oder elektronische Aufgabe erfüllen, z. B. kann er als ein Massepfad ausgebildet sein. In beiden Fällen ist der Wärmeleitpfad insbesondere als ein lateraler Wärmeleitpfad bezüglich der Komponente ausgebildet.
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In weiteren Ausführungsformen der Anordnung weist der Schaltungsträger eine – insbesondere metallische – Hülse (Wärmeleitmittel) in der Durchgangsausnehmung auf. Die Hülse ist bevorzugt direkt an den Wärmeleitpfad anschließend ausgebildet. Hierbei kann ein Wärmeübergangsvorgang (Wärmeübergangspfad) zwischen dem Wärmeleitpfad der Umverdrahtungslage und der Hülse stattfinden, wobei die Hülse selbst als ein Wärmeleitpfad fungiert. Die Hülse gewährleistet eine ggf. direkte thermische Anbindung an das Wärmeleitmittel, wobei die Anbindung bevorzugt durch eine Innenwand der Hülse hindurch erfolgt. Die Hülse kann als eine galvanisch abgeschiedene oder eingepresste Hülse des Schaltungsträgers ausgebildet sein. Hierbei kann die Hülse mit dem Wärmeleitpfad stofflich einstückig ausgebildet sein. z. B. kann die Durchgangsausnehmung durch die Umverdrahtungslage hindurch verlaufen und die Hülse kann in der Durchgangsausnehmung und somit auch auf die Umverdrahtungslage abgeschieden sein.
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Die Umverdrahtungslage kann in einem Bereich, z. B. unterhalb und/oder oberhalb sowie seitlich von dem Bauelement bzw. den Bauelementen, der Durchgangsausnehmung, der Hülse und/oder des Wärmeleitmittels eine oder eine Mehrzahl von metallisch-thermischen Durchkontaktierungen besitzen. Beispielsweise sind die Durchkontaktierungen in einem Montagebereich des Bauelements / der Bauelemente angeordnet, so dass das Bauelement bzw. die Bauelemente die Durchkontaktierungen in Draufsicht auf die Umverdrahtungslage insbesondere überdeckt.
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Die Umverdrahtungslage ist vorzugsweise separat, einteilig und/oder einstückig ausgebildet. Es ist jedoch grundsätzliche auch möglich, die Umverdrahtungslage bzw. einen Abschnitt davon als einen stofflich einstückigen oder integralen Bestandteil einer Lage oder eines Bereichs des Schaltungsträgers auszubilden; Das mindestens eine Bauelement wird beispielsweise auf der Umverdrahtungslage – insbesondere auf der Hauptfläche des Trägersubstrats – vorgesehen, z. B. gelötet oder geklebt. Die Komponente kann als ein bevorzugt ggf. zunächst passiv gekühltes Inlay konstruiert sein.
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In weiteren Ausführungsformen weist die Anordnung ein Befestigungselement oder eine elektrische Kontaktvorrichtung auf, das/die insbesondere metallisch ist und thermisch an das Wärmeleitmittel des Schaltungsträgers gekoppelt ist. Insbesondere grenzt das Befestigungselement bzw. die Kontaktvorrichtung an das Wärmeleitmittel an. Das Befestigungselement kann als eine Schraube, ein Niet, ein Stift, eine Rastvorrichtung/einrichtung etc. ausgebildet sein. Die elektrische Kontaktvorrichtung kann als ein Kontaktpin oder eine Kontaktbuchse ausgebildet sein. Auf diese Weise kann eine Wärmeableitung vom Schaltungsträger über das Befestigungsmittel bzw. die elektrische Kontaktvorrichtung erfolgen. Mit Vorteil wird eine Rückseite des Schaltungsträgers bzw. der Anordnung nicht mehr wie bisher für eine Entwärmung benötigt, sondern steht für eine Bestückung mit Komponenten, Bauteilen oder Bauelementen zur Verfügung.
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Der Wärmeleitpfad der Umverdrahtungslage ist bei einer Ausgestaltung in einem dem Bauelement / den Bauelementen benachbarten Bereich und/oder in einem dem Wärmeleitmittel benachbarten Bereich dicker ausgebildet sein, als in einem lateral (jeweils) dazu benachbarten Bereich, der weiter von dem/den Bauelement(en) bzw. dem Wärmeleitmittel entfernt ist. – Die Wärmesenke kann ein Gehäuseabschnitt, ein Block, insbesondere ein Metallblock, eine elektrische Leitung, ein Kabelbaum oder ein Kühlkörper sein. Ferner kann die Komponente mit der Umverdrahtungslage als eine passive oder – vorzugsweise – aktive Komponente ausgebildet sein.
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Die Anordnung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Figuren näher erläutert. Elemente, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine in einen Schaltungsträger einzubettende oder einzusetzende, als Wärmequelle fungierenden Komponente für eine elektrische, optoelektronische oder elektrische Anordnung gemäß einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel;
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2 eine Schnittansicht der Anordnung gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel;
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3 eine zur 2 analoge Schnittansicht einer elektrischen, optoelektronischen oder elektrischen Anordnung gemäß einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel;
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4 eine wiederum zur 2 analoge Schnittansicht einer elektrischen, optoelektronischen oder elektrischen Anordnung gemäß einem dritten exemplarischen Ausführungsbeispiel;
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5A eine ebenfalls zur 2 analoge Schnittansicht einer elektrischen, optoelektronischen oder elektrischen Anordnung gemäß einem vierten exemplarischen Ausführungsbeispiel; und
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5B eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5A.
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Die Erfindung wird im Folgenden in einer Anwendung auf eine elektronische, optoelektronische oder elektrische Anordnung 1 für die Kraftfahrzeugtechnik erläutert. Die Anordnung 1 kann alternativ auch im Bereich der Leistungselektronik, der Computertechnik etc. eingesetzt sein. Die Anordnung 1 kann dabei zum Beispiel ein (Elektronik-)Modul 1 oder eine Baugruppe 1 sein, insbesondere für ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, etwa ein Motorsteuergerät.
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Wenn im Rahmen der Erfindung von einer integralen Ausbildung die Rede ist, so ist damit insbesondere keine lediglich stofflich einstückige Ausbildung bezeichnet. Der Begriff ‚integral’ soll hier im Sinne von ‚monolithisch’ bzw. ‚homogen’ verwendet sein, d. h. bei einer integralen Ausbildung liegt kein Stoffschluss über z. B. eine Löt- oder Klebstelle vor, sondern ein insbesondere kristalliner Stoffschluss innerhalb ein und desselben Materialabschnitts ein und desselben Bauteils. Z. B. mittels einer Lötstelle erfolgt eine stofflich einstückige Ausbildung zweier elektrischer Leiter, die in diesem Fall nicht integral ausgebildet ist. Die beiden elektrischen Leiter können ihrerseits natürlich integral ausgebildet sein. Bei einer stofflich einstückigen Verbindung treten im Gegensatz zu einer integralen Verbindung wesentliche unterschiedliche Materialkonzentrationen auf.
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2 zeigt eine elektrische, elektronische oder optoelektronische Anordnung 1 gemäß einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel in einem schematischen Querschnitt. Die Anordnung 1 weist einen Schaltungsträger 10 und eine in den Schaltungsträger 10 eingebettete oder im Schaltungsträger ausgebildete Komponente 5 auf.
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1 zeigt die in den Schaltungsträger 10 einzubettende oder im Schaltungsträger 10 ausgebildete Komponente 5 der 2 in einer stark schematisierten Draufsicht.
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Bei dem Schaltungsträger 10 handelt es sich zum Beispiel um eine (z. B. laminierte Mehrlagen-)Leiterplatte 10. Der Schaltungsträger 10 enthält ein metallisches Wärmeleitmittel 211. Beispielsweise wird das Wärmeleitmittel 211 von einer Metallisierung an einer Oberfläche des Schaltungsträgers 10 gebildet. Vorliegend handelt es sich bei dem metallischen Wärmeleitmittel 211 um eine metallische Hülse, die im Bereich einer Durchgangsausnehmung 12 (auch "Via" genannt), die durch den Schaltungsträger 10 hindurch verläuft, ausgebildet ist.
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Insbesondere bildet die Hülse eine Innenwand der Durchgangsausnehmung 12. Alternativ oder zusätzlich ist beispielsweise auch denkbar, dass das metallische Wärmeleitmittel 211 – oder ein Teilbereich davon – von einem – insbesondere an die Durchgangsausnehmung 12 angrenzenden oder in diese hinein ragenden – Randbereich des metallischen Wärmeleitpfads 210 gebildet ist.
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Bevorzugt hat die Hülse einen Kragen, der sich seitlich von der Durchgangsausnehmung 12 an einer Hauptfläche des Schaltungsträgers 10 erstreckt und vorzugsweise einen zweiten Kragen, der sich seitlich von der Durchgangsausnehmung 12 an der gegenüberliegenden Hauptfläche des Schaltungsträgers 10 erstreckt. Die Hülse ist zum Beispiel galvanisch abgeschieden oder in den Schaltungsträger 10 eingepresst. Sie kann als Verkupferung der Durchgangsausnehmung 12 ggf. mit dem oder den Kragen ausgebildet sein. Einer oder beide Kragen sind dabei bevorzugt mit dem innerhalb der Durchgangsausnehmung 12 angeordneten Teilstück der Hülse 211 stofflich einstückig oder integral ausgebildet.
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Die Komponente 5 enthält eine Umverdrahtungslage 20 mit einem Trägersubstrat 25 aus z. B. Silizium, Aluminium, Kupfer, Glas, Polymer etc. Die Umverdrahtungslage 20 kann ein- oder mehrlagig ausgebildet sein. Die Umverdrahtungslage 20 trägt – insbesondere auf einer Hauptfläche des Trägersubstrats 25 – ein elektrisches, optoelektronisches oder elektronisches Bauelement 30. Das Bauelement 30 kann ein aktives oder passives Bauelement 30, z. B. ein ungehäustes ein- oder mehrlagiges Halbleiterbauteil, sein. Das Bauelement 30 fungiert in einem Betrieb der Anordnung 1 als Wärmequelle 30, beispielsweise aufgrund von Verlustwärme, die beim Betrieb des Bauelements 30 entsteht. Das Bauelement 30 kann als ein gekühltes Inlay 20, 30 ausgebildet sein.
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Das Bauelement 30 ist mittels elektrischer Anschlussvorrichtungen wie Anschlussflächen, Anschlusspins, Anschluss-Beinchen oder Bonddrähten (in den 1 und 2 zur Vereinfachung nicht dargestellt) elektrisch mit ersten elektrischen Anschlüssen 215 (in den 1 und 2 zur Vereinfachung nicht dargestellt) der Umverdrahtungslage 20 kontaktiert. Die Umverdrahtungslage 20 wiederum ist mit zweiten elektrischen Anschlüssen 217 (in den 1 und 2 zur Vereinfachung nicht dargestellt) mit elektrischen Leiterbahnen des Schaltungsträgers 10 (in den 1 und 2 zur Vereinfachung nicht dargestellt) elektrisch kontaktiert.
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Insbesondere bei aktiven Bauelementen 30 entsteht in deren Betrieb oft eine vergleichsweise große Wärmemenge, welche von der Umverdrahtungslage 20 und ggf. auch vom Schaltungsträger 10 abtransportiert werden muss.
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Da die Komponente 5 innerhalb des Schaltungsträgers 10 vorgesehen ist, ist gemäß der Erfindung eine Entwärmung vorgesehen, um eine zu starke Erwärmung des Bauelements 30 und ggf. eines dazu benachbarten Abschnitts der Komponente 5 zu verhindern.
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Gemäß dem vorliegenden, ersten Ausführungsbeispiel ist die Umverdrahtungslage 20 derart ausgestaltet, dass ein Bereich 200 der Umverdrahtungslage 20, der zur thermischen Anbindung einer – z. B. aus Silizium bestehenden – Rückseite des Bauelements 30 vorgesehen ist, seitlich neben das Bauelement 30 geführt ist. Dieser Bereich 200 ist insbesondere neben dem Bauelement 30 derart aufgeweitet, dass er in einer Ebene des Schaltungsträgers 10 thermisch kontaktierbar ist. Die Komponente 5 ist dabei in dem Schaltungsträger 10 derart positioniert, dass z. B. eine Bohrung 12 durch den Schaltungsträger 10 und die Umverdrahtungslage 20 durch den zur Entwärmung des Bauelements 30 ausgebildeten Bereich 200 verläuft. Die Bohrung 12 ist beispielsweise derart gestaltet, dass deren Innenwand, also auch der Bereich 200, durch ein z. B. mechanisches Befestigungselement 40 oder eine elektrische Kontaktvorrichtung 40 mit einer Wärmesenke 50 (s. unten) mittel- oder unmittelbar thermisch verbunden werden kann.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt das Befestigungselement 40 direkt an einem der Kragen der Hülse an, um eine direkte metallische thermische Verbindung zwischen dem Wärmeleitmittel 211 und dem Befestigungselement 40 herzustellen. Insbesondere entsteht dabei ein bevorzugt durchgehender metallischer Wärmepfad zur Wärmesenke 50, der für eine vergleichsweise gute Entwärmung des Bauelements 30 sorgt. Hierbei wird insbesondere das mechanische Befestigungselement 40 zur Verbesserung der Entwärmung, d. h. zum Kühlen des Bauelements 30 genutzt. Durch den metallischen Wärmepfad ist insbesondere auch eine Fähigkeit verbessert, einer kurzfristigen thermischen Spitzenlast zu widerstehen.
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Vorzugsweise, steht der zweite Kragen der Hülse 211 in direkten thermischen und insbesondere mechanischen Kontakt mit der Wärmesenke 50. Hierdurch kann ein vergleichsweise großer Teil der abzuführenden Wärme direkt durch die Hülse 211 und nicht durch das Befestigungselement 40 geleitet werden.
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Der Bereich 200 ist dabei mittels eines metallischen Wärmeleitpfads 210 zur Entwärmung des Bauelements 30 ausgebildet. Der metallische Wärmeleitpfad 210 wird zum Beispiel von einer Metallschicht 210, insbesondere einer Metallbahn 210 gebildet. Zwischen dem Wärmeleitpfad 210 und der – bevorzugt galvanisch abgeschieden – Hülse 211 ist bevorzugt eine stofflich einstückige Verbindung ausgebildet. Der Wärmeleitpfad 210 erfüllt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel keine beabsichtigte elektrische oder elektronische Aufgabe.
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Mittels des Wärmeleitpfads 210 ist eine von dem Bauelement 30 erzeugte (Verlust-)Wärme von dem Bauelement 30 wegtransportierbar (grob angedeutet durch die Pfeile 210 in 1). Die Umverdrahtungslage 20 ist insbesondere derart gestaltet, dass ein vergleichsweise guter thermischer Kontakt zwischen dem zu entwärmenden Bauelement 30 und dem Wärmeleitpfad 210 ausgebildet ist. Dies erfolgt beispielsweise durch eine direkte und flächige Verbindung des Bauelements 30 mit dem Wärmeleitpfad 210.
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In einem Betrieb der Anordnung 1 stellt sich ausgehend von dem Bauelement 30 ein Wärmeübergang zum Wärmeleitpfad 210 ein, durch welchen hindurch ein durch das Bauelement 30 verursachter Wärmestrom zu dem Wärmeleitmittel 211 fließt. Der Wärmeübergang zum Wärmeleitungspfad 210 sowie der Wärmeleitpfad 210 bilden einen Wärmedurchgangspfad in/auf der Umverdrahtungslage 20. Hierbei kann die Umverdrahtungslage 20 einen einzigen oder eine Mehrzahl von solchen Wärmedurchgangspfaden aufweisen, die ggf. thermisch untereinander gekoppelt sind, was wiederum mittels wenigstens eines Wärmedurchgangspfads, bevorzugt durch die Umverdrahtungslage 20 hindurchgehend erfolgt.
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Die Durchgangsausnehmung 12 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Bohrung 12 für eine mechanische Befestigung des Schaltungsträgers 10 ausgebildet. An der Montagevorrichtung 12 ist ein bevorzugt metallisches Befestigungselement 40 (s. 2) angeordnet. Das Befestigungselement ist zur Wärmeabfuhr vom Schaltungsträger 10 vorgesehen und grenzt vorzugsweise direkt an das Wärmeleitmittel 211 an. Dabei ergibt sich ein Wärmeübergang vom Wärmeleitpfad 210 durch das Wärmeleitmittel 211 – vorliegend die metallische Hülse in der Durchgangsausnehmung 12 – hindurch zum Befestigungselement 40.
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Das Befestigungselement 40 kann als eine Schraube 40 (s. 2), ein Niet, ein Stift, eine Rastvorrichtung, eine Rasteinrichtung etc. ausgebildet sein.
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Das Befestigungselement 40 leitet die Wärme vom Wärmeleitmittel 211 weg zu einer Wärmesenke 50. Hierbei kann das Befestigungselement 40 direkt mit der Wärmesenke 50 in thermischen Kontakt stehen. Beispielsweise ist es – wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel exemplarisch gezeigt – mit der Wärmesenke 50 verschraubt.
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Die Wärmesenke 50 ist z. B. ein Block, insbesondere ein Metallblock (s. 2), der z. B. ein Gehäuseabschnitt oder eine mechanische Trägerstruktur sein kann. Insbesondere ist die Wärmesenke 50 als ein Kältereservoir 50 und ggf. als ein bevorzugt passiver Kühlkörper 50 ausgebildet, wobei sich von der Anordnung 1 im Betrieb erzeugte Wärme in der Wärmesenke 50 vorzugsweise nicht oder nur bis zu einem gewissen Grad, der ein ausreichendes Entwärmen des Bauelements 30 sicherstellt, akkumuliert. Alternativ kann die Wärmesenke eine aktive Kühlung aufweisen.
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3 zeigt ein zweites exemplarisches Ausführungsbeispiel einer elektrischen, elektronischen oder optoelektronischen Anordnung 1.
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Die Anordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich dadurch von derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, dass in der Durchgangsausnehmung 12 eine elektrische Kontaktvorrichtung 41 zur Wärmeabfuhr vom Schaltungsträger 10 vorgesehen ist. Die elektrische Kontaktvorrichtung 41 kann zum Beispiel ein Kontaktpin (s. 3) oder eine Kontaktbuchse sein. Ferner kann die Kontakteinrichtung 41 eine Steckeinrichtung sein, die als eine Pin- oder Buchsen-Steckeinrichtung oder als ein Hermaphrodit ausgebildet sein kann. Wie das Befestigungselement 40 des ersten Ausführungsbeispiels grenzt die elektrische Kontaktvorrichtung an das als Hülse in der Durchgangsausnehmung 12 ausgebildete Wärmeleitmittel 211 an, im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel jedoch an die in der Durchgangsausnehmung 12 angeordnete Innenwand der Hülse. Alternativ oder zusätzlich ist auch denkbar, dass die elektrische Kontaktvorrichtung an den Kragen der Hülse angrenzt. Statt der Durchgangsausnehmung 12 kann der Schaltungsträger 10 auch ein Lötpad oder dergleichen zur Befestigung der elektrischen Kontaktvorrichtung 41 aufweisen.
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Beispielsweise ist eine elektrische Anschlussvorrichtung des Bauelements 30, z.B. eine elektrische Anschlussfläche oder ein elektrischer Anschlusspin über den Wärmeleitpfad 210 der Umverdrahtungslage 20 elektrisch leitend mit der elektrischen Kontaktvorrichtung 41 verbunden. Die elektrische Kontaktvorrichtung 41 kann dabei einen Signal- oder einen Masse-Anschluss darstellen.
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Ferner unterscheidet sich die Anordnung 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dadurch von derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels, dass als Wärmesenke 50 eine elektrische Leitung 50 vorgesehen ist, deren elektrisches Anschlusselement die elektrische Kontaktvorrichtung 41 nicht nur elektrisch sondern auch thermisch kontaktiert. Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung weist die Anordnung eine Mehrzahl von elektrischen Kontaktvorrichtungen 41 auf und die Wärmesenke ist von einem Kabelbaum mit einer Mehrzahl elektrischer Leitungen 50 gebildet, die je eine der elektrischen Kontaktvorrichtungen 41 elektrisch und thermisch kontaktieren.
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4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer elektrischen, elektronischen oder optoelektronischen Anordnung 1 gemäß einem dritten exemplarischen Ausführungsbeispiel. Die Umverdrahtungslage 20 ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Gegensatz zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen mehrlagig ausgebildet. An beiden vergleichsweise großflächigen Außenseiten sind metallische Wärmeleitpfade 210, 210' vorgesehen. – Vorliegend ist ein metallischer Wärmeleitpfad 210 an einer Hauptfläche 251 des Trägersubstrats 25 der Umverdrahtungslage 20 angeordnet, welche das Bauelement 30 trägt. Ein zweiter metallischer Wärmeleitpfad 210' ist an einer dieser Hauptfläche 251 gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche 252 des Trägersubstrats angeordnet. Bei einer Weiterbildung kann ein metallischer Wärmeleitpfad 210 innerhalb des Trägersubstrats 25 angeordnet sein (in den Figuren nicht dargestellt).
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Zwischen dem metallischen Wärmeleitpfad 210 und dem zweiten metallischen Wärmeleitpfad 201' ist eine oder eine Mehrzahl von thermischen Durchkontaktierungen 212 vorgesehen. Die thermischen Durchkontaktierungen 212 verlaufen insbesondere von der ersten Hauptfläche 251 zur zweiten Hauptfläche 252 durch das Trägersubstrat 25 hindurch. Beispielsweise sind die thermischen Durchkontaktierungen 212 von metallgefüllten Vias des Trägersubstrats 25 gebildet. Hierbei ist im Montagebereich des Bauelements 30 vorzugsweise eine Mehrzahl von Durchkontaktierungen 212 vorgesehen.
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Der mehrlagige Aufbau der Umverdrahtungslage 20 ermöglicht, unterschiedliche Oberflächen sowie ggf. Lagen, auf/in welchen die Wärmepfade 210 angeordnet sind zu realisieren, ohne eine Verschlechterung eines Wärmeabtransports in Kauf nehmen zu müssen.
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Das Bauelement 30 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel weist als Bonddrähte 35 ausgebildete elektrische Anschlussvorrichtungen auf. Die Bonddrähte 35 sind mit den ersten elektrischen Anschlüssen 215 der Umverdrahtungslage 20 verbunden. Zweite elektrische Anschlüsse 217 der Umverdrahtungslage 20 sind mittels Leiterbahnen der Umverdrahtungslage 20 elektrisch leitend mit den ersten elektrischen Anschlüssen 215 verdrahtet und mittels Signalkontaktierungen 230 elektrisch an den Schaltungsträger 10 angeschlossen. Die ersten elektrischen Anschlüsse 215 haben beispielsweise ein Abstandsmaß von etwa 100 µm und die zweiten elektrischen Anschlüsse 217 haben ein Abstandsmaß zwischen 200 µm und 300 µm, wobei die Grenzen eingeschlossen sind. Die Signalkontaktierungen 230 des Schaltungsträgers 10 sind beispielsweise als metallgefüllte Vias ausgebildet und münden jeweils in eine Leiterbahn, die zumindest stellenweise an einer Hauptfläche des Schaltungsträgers 10 verläuft.
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5A zeigt eine elektrische, elektronische oder optoelektronische Anordnung 1 gemäß einem vierten exemplarischen Ausführungsbeispiel in einem schematischen Querschnitt. 5B zeigt einen Ausschnitt der Komponente 5 der Anordnung 1 gemäß 5A in einer schematischen Draufsicht.
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Die Anordnung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen derjenigen des dritten Ausführungsbeispiels. Zusätzlich ist jedoch die Umverdrahtungslage 20 im Bereich der Hülse 211 mit einer Mehrzahl von vorzugsweise metallischen Durchkontaktierungen 212 versehen, die insbesondere an mindestens einen der metallischen Wärmeleitpfade 210, 210' der Umverdrahtungslage angrenzen. Diese sind in Draufsicht auf die Umverdrahtungslage beispielsweise kranzförmig und vorzugsweise in regelmäßigen Abständen um die Durchgangsausnehmung 12 herum verteilt und überlappen insbesondere mit dem oder den Kragen der Hülse 211.
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Die im Bereich des von der Hülse gebildeten Wärmeleitmittels 211 angeordneten Durchkontaktierung 212 durch die Umverdrahtungslage 20 oder eine Teilmenge dieser Durchkontaktierungen 212 können Teilstücke von – insbesondere metallischen – Durchkontaktierungen 213 durch den Schaltungsträger 10 darstellen. Die Durchkontaktierungen 213 durch den Schaltungsträger 10 verbinden insbesondere zwei auf einander gegenüberliegenden Seiten des Schaltungsträgers 10 angeordnete Kragen der Hülse 211 thermisch miteinander. Diese Durchkontaktierungen 213 passieren auch eine oder eine Mehrzahl von Wärmeleitpfaden 210 der Umverdrahtungslage 20.
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Bei allen Ausführungsbeispielen und Ausgestaltungen der Anordnung 1 kann der Wärmeleitpfad 210 optional mit einer größeren Dicke ausgebildet sein als weitere Leiterbahnen der Umverdrahtungslage 20, die nicht zur Wärmeabgabe an das Wärmeleitmittel 211 ausgebildet sind. Auf diese Weise kann die Wärmespreizung weiter verbessert sein und/oder ggf. ein Wärmepuffer direkt an dem Bauelement 30 ausgebildet sein, was zum Beispiel für transiente Lastzustände von Vorteil ist. Bei einer Weiterbildung ist der Wärmeleitpfad 210 in einem Mittenbereich zwischen dem Bauelement 30 und dem Wärmeleitmittel 211 dünner als in einem oder beiden Endabschnitten (Bereiche an am Bauelement 30 und/oder am Wärmeleitmittel 211) ausgebildet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2009/0296349 A1 [0004]
