DE102014219759A1

DE102014219759A1 - Leistungsmodul

Info

Publication number: DE102014219759A1
Application number: DE102014219759.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kiefl; Kai Kriegel; Karl Weidner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-03-31
Also published as: WO2016050451A1

Abstract

Das Leistungsmodul umfasst zumindest ein mit Keramik gebildetes Substrat sowie eine thermisch an das Substrat angebundene Leiterplatte mit einem Leistungsbauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul Leistungsmodule umfassen typischerweise diskrete Bauelemente, die auf Leiterplatten aufgebracht sind.
Mit Leiterplatten lassen sich durch einen mehrlagigen Aufbau sehr kompakte Aufbauten erreichen. Die Kühlung von solchen diskreten Bauelementen oder Leiterplatten gestaltet sich allerdings regelmäßig schwierig.
Vor diesem Hintergrund des Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein demgegenüber verbessertes Leistungsmodul zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul zu schaffen, welches eine verbesserte Kühlung zumindest eines Teils des Leistungsmoduls, insbesondere eines Leistungsbauteils des Leistungsmoduls, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einem Leistungsmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul umfasst zumindest ein mit Keramik gebildetes Substrat sowie eine thermisch an das Substrat angebundene Leiterplatte mit einem Leistungsbauteil.
Auf diese Weise weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul zum einen die Vorteile der Leiterplattentechnologie mit entsprechend raumsparendem Aufbau auf. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Leistungsmodul ein mit Keramik gebildetes Substrat mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, welche die Wärmeleitfähigkeit konventionellen Leiterplattenmaterials deutlich übertrifft. Folglich ist erfindungsgemäß eine Kühlung des Bauteils über das mit Keramik gebildete Substrat leicht möglich.
Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul die Leiterplatte flächig an das Substrat angebunden. Zweckmäßig ist das Leistungsbauteil an einer vom Substrat abgewandten Seite der Leiterplatte oder innerhalb der Leiterplatte angeordnet. Auf diese Weise lässt sich eine gesamte flächige Erstreckung des Leistungsmoduls, insbesondere zumindest die gesamte flächige Erstreckung des Leistungsmoduls an der ggf. dem Leistungsbauteil abgewandten Seite, zur Kühlung nutzen. Besonders vorteilhaft kann an einer solchen Seite ein Kühlkörper, vorzugsweise flächig, thermisch angekoppelt sein.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Leistungsmoduls weist die Leiterplatte ein Flachteil mit einer Bauhöhe von höchstens 3 Millimetern, zweckmäßig höchstens 1,5 Millimetern, insbesondere höchstens einem Millimeter, auf. Geeigneterweise ist die Bauhöhe senkrecht zu Flachseiten des Flachteils oder senkrecht zu dessen flächigen Erstreckungsrichtungen bemessen. Zweckmäßig ist die Leiterplatte ein solches Flachteil. Auf diese Weise lässt sich die gesamte flächige Erstreckung des Leistungsbauteils zur Kühlung nutzen, während senkrecht zur flächigen Erstreckung nur ein sehr kurzer thermischer Pfad verbleibt. Somit wird vorteilhaft eine hohe Wärmespreizung erreicht.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul die Leiterplatte eine mehrlagige Leiterplatte.
Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das Substrat mit oder aus Aluminiumnitrid und/oder Siliziumnitrid gebildet. Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid weisen jeweils eine für eine Anbindung des Kühlkörpers an die Leiterplatte hinreichende Wärmeleitfähigkeit auf. Die Wärmeleitfähigkeit ist somit deutlich höher als jene typischer Leiterplattenmaterialien. Folglich ist die Kühlwirkung in dieser Weiterbildung der Erfindung besonders hoch.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Leistungsmodul zumindest zwei mit Keramik gebildete Substrate, an welchen die Leiterplatte jeweils mit einander abgewandten Seiten angebunden ist. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlwirkung besonders hoch.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Zeichnungsfigur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Leistungsmodul schematisch im Querschnitt.
Die Proportionen der Darstellung gem. 1 sind in der Höhe um einen Faktor 15 aufgeweitet, d.h. eine Stauchung der 1 in Höhenrichtung (d.h. senkrecht zur Schreibrichtung der Beschriftung der 1) auf ein Fünfzehntel der dargestellten Abmessung lieferte realitätstreue Proportionen.
Das in 1 dargestellte Leistungsmodul umfasst ein Keramiksubstrat 10 in der Gestalt eines Flachteils mit zwei Flachseiten 30 und 40. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Keramiksubstrat 10 aus Aluminiumnitrid gebildet. In weiteren, nicht eigens gezeigten Ausführungsbeispielen kann das Keramiksubstrat 10 aus oder mit Siliziumnitrid und/oder mit weiteren Materialien gebildet sein. Die Dicke des Keramiksubstrats 10 senkrecht zu den Erstreckungsrichtungen der Flachseiten 30, 40 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 300 Mikrometer.
In Richtungen der flächigen Erstreckung der Flachseiten 30 und 40 ist das Keramiksubstrat 10 in einen Rahmen 20 aus Leiterplattenmaterial einfasst. Das Leiterplattenmaterial ist im dargestellten Ausführungsbeispiel FR-4, also ein mit Epoxidharz und Glasfasergewebe gefertigter Verbundwerkstoff.
Eine erste Flachseite 30 des Keramiksubstrats ist mittels einer, in Richtungen senkrecht zu der flächigen Erstreckung der Flachseiten 30, 40 des Keramiksubstrats 10, 300 Mikrometer dicken DCB-Schicht aus Kupfer 50 (DCB: „direct-copper-bonded“) vollflächig an einen metallischen Kühlkörper 60 von etwa einem Millimeter Dicke thermisch leitend angebunden (im Rahmen dieser Beschreibung ist die Richtung von Dicken stets senkrecht zu der flächigen Erstreckung der Flachseiten 30, 40 des Keramiksubstrats 10 orientiert, soweit nicht anders angegeben).
Die der ersten Flachseite 30 abgewandte, zweite Flachseite 40 des Keramiksubstrats 10 trägt DCB-angebundene Bauelemente 80 in der Gestalt von Bare-Die-Chips, d.h. eine an die zweite Flachseite 40 des Keramiksubstrats 10 DCB-angebundene Kupferschicht 70 mit einer Dicke von 300 Mikrometern trägt jeweils ungehauste integrierte elektronische Bauelemente 80 mit einer Dicke von 70 Mikrometern. Bei diesen Bauelementen 80 handelt es sich um Leistungsbauteile mit entsprechend hoher Wärmeentwicklung. Aufgrund der geringen Dicke von 300 Mikrometern der Kupferschicht 70, sowie der geringen Dicke des Keramiksubstrats 10 von 300 Mikrometern und der geringen Dicke der Kupferschicht 50 von 300 Mikrometern, welche das Keramiksubstrat 10 an den Kühlkörper 60 anbindet, ergibt sich eine besonders hohe Wärmespreizung und entsprechend eine besonders effiziente Wärmeabfuhr.
Die mittels der Bauelemente 80, der DCB-angebundenen Kupferschicht 70 sowie der zweiten Flachseite 40 des Keramiksubstrats 10 gebildete Oberfläche ist mit Isolierfolie 90 mit einer Dicke von 100 Mikrometern laminiert.
Die Isolierfolie 90 weist in Kontaktbereichen der Bauelemente 80 Aussparungen auf. An diesen Kontaktbereichen ist die dem Keramiksubstrat 10 abgewandte Oberfläche der Bauelemente 80 nicht mit Isolierfolie 90 bedeckt.
Auf die Isolierfolie 90 und in die Aussparungen der Isolierfolie 90 ist eine galvanisierte Kupferschicht 100 mit 30 Mikrometern Dicke aus Kupfer galvanisiert. Die galvanisierte Kupferschicht 100 bildet elektrische Leitungen sowie elektrische Kontakte zur Kontaktierung der Bauelemente 80.
Der Rahmen 20 ist zusammen mit dem Keramiksubstrat, der DCB-Schicht 70 mit den DCB-angebundenen Bauelementen 80, der Isolierfolie 90 sowie der galvanisierten Kupferschicht 100 in ein Leiterplatten-Prepreg 110 mit geringerer mechanischer Härte als jene von FR-4 eingebracht. Dieser Leiterplatten-Prepreg 110 bildet eine Schicht mit 500 Mikrometern Dicke. Der Leiterplatten-Prepreg 110 schließt fern der galvanisierten Kupferschicht 100 mit einer Prepreg-Oberfläche ab. Die Prepreg-Oberfläche ist in an sich bekannter Weise bereichsweise mit Lötstopplack 120 beschichtet. Durch den Leiterplatten-Prepreg 110 erstrecken sich in Dickenrichtung Kupfer-Durchkontaktierungen 130 zur elektrischen Kontaktierung der galvanisierten Kupferschicht 100 bis zur Prepreg-Oberfläche hindurch. Die freiliegenden Bereiche der Prepreg-Oberfläche fern der galvanisierten Kupferschicht 100 und die freiliegende Oberfläche des Lötstopplacks 120 bilden eine Leiterplattenoberfläche 140 aus.
Zusammenwirkend bilden die in 1 oberhalb der keramischen Schicht befindliche DCB-angebundene Kupferschicht 70, die DCB-angebundenen Bauelemente 80, die Isolierfolie 90, die galvanisierte Kupferschicht 100, der Leiterplatten-Prepreg 110 und der Lötstopplack 90 eine mehrlagige Leiterplatte L aus.
An Bereichen der Leiterplattenoberfläche 140, welche nicht mit Lötstopplack beschichtet sind, sind Lastanschlüsse 150 sowie SMD-Bauteile (SMD = „surface-mounted device“) 160 angelötet.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht, ist die Leiterplatte L beiderseits jeweils flächig (d.h. entlang einer Ebene senkrecht zur Dickenrichtung wie zuvor definiert) an ein Keramiksubstrat angebunden, wobei eines oder jedes der Keramiksubstrate vollflächig an jeweils einen Kühlkörper angebunden ist. Auf diese Weise ist die Kühlwirkung besonders groß.

Claims

Leistungsmodul umfassend zumindest ein mit Keramik gebildetes Substrat (10) sowie eine thermisch an das Substrat (10) angebundene Leiterplatte mit einem Leistungsbauteil (80).
Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei welchem die Leiterplatte (L) flächig an das Substrat (10) angebunden ist.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Leistungsbauteil (80) an einer vom Substrat (10) abgewandten Seite der Leiterplatte (L) angeordnet oder innerhalb der Leiterplatte (L) angeordnet ist.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Leiterplatte (L) ein Flachteil mit einer Bauhöhe von höchstens 3 Millimetern, vorzugsweise höchstens 1,5 Millimetern, insbesondere höchstens 1 Millimeter, aufweist oder ist.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Leiterplatte (L) eine mehrlagige Leiterplatte (L) ist.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Substrat (10) mit oder aus Aluminiumnitrid und/oder Siliziumnitrid gebildet ist.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen Kühlkörper (60) aufweist, welcher thermisch an das Substrat (10) gekoppelt ist.
Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest zwei mit Keramik gebildete Substrate, an welchen die Leiterplatte jeweils mit einander abgewandten Seiten angebunden ist.