DE102016107493A1

DE102016107493A1 - Trägersystem

Info

Publication number: DE102016107493A1
Application number: DE102016107493.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Feichtinger; Franz Rinner; Günter Pudmich; Werner Rollett; Michael Weilguni
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-23
Also published as: TW201810451A; WO2017182157A1; DE102016107493B4; TWI729076B

Abstract

Es wird ein Vielschicht-Trägersystem (10) beschrieben, aufweisend wenigstens ein Vielschichtkeramiksubstrat (2), wenigstens ein Matrixmodul (7) von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen (1a, 1b), wobei die Halbleiterbauelemente (1a, 1b), auf dem Vielschichtkeramiksubstrat (2) angeordnet sind, und ein weiteres Substrat (3), wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) auf dem Substrat (3) angeordnet ist, wobei das Matrixmodul (7) über das Vielschichtkeramiksubstrat (2) und das weitere Substrat (3) elektrisch leitend mit einer Treiberschaltung verbunden ist. Ferner werden ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Trägersystems (10) sowie die Verwendung eines Vielschichtkeramiksubstrats beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trägersystem, beispielsweise ein Vielschicht-Trägersystem für ein Leistungsmodul mit einer Matrix von Wärmequellen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Trägersystems. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Vielschichtkeramiksubstrats für ein Trägersystem.
Trägersysteme beispielsweise für Lichtmodule weisen in der Regel eine bedruckte Leiterplatte oder eine Metallkernplatine auf. Entsprechende Trägersysteme sind beispielsweise aus den Dokumenten US 2009/0129079 A1 und US 2008/0151547 A1 bekannt.
Ein bekanntes Licht Matrix Konzept besteht aus mehreren LED Array Modulen auf einem IMS (Insulated Metal Substrat) bestehend aus einer 1 mm bis 3 mm dicken Metallschicht und einer Isolationsschicht und Verdrahtung auf einer Lage an der Oberfläche, die jeweils auf einem Kühlkörper verschraubt sind und über eine Steuereinheit ein- und ausgeschaltet werden können. Für jedes LED Array Modul ist eine komplizierte Optik erforderlich, was das System komplex und aufwändig macht.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine verbessertes Trägersystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Trägersystems und die Verwendung eines Vielschichtkeramiksubstrats für ein verbessertes Trägersystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand, das Verfahren und die Verwendung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird ein Vielschicht-Trägersystem, kurz Trägersystem, angegeben. Das Trägersystem weist wenigstens ein Vielschichtkeramiksubstrat auf. Das Vielschichtkeramiksubstrat ist eine Funktionskeramik. Das Trägersystem weist wenigstens ein Matrixmodul von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen, beispielsweise Lichtquellen, zum Beispiel LEDs, auf. Das Matrixmodul weist matrizenförmig angeordnete Wärmequellen auf. Bevorzugt weist das wenigstens eine Matrixmodul ein LED Matrixmodul auf.
Das Matrixmodul besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von Einzelelementen / Halbleiterbauelementen. Die Einzelelemente selbst können wiederum eine Vielzahl von Unterkomponenten aufweisen. Das Matrixmodul kann beispielsweise eine Vielzahl von Einzel-LEDs als Halbleiterbauelemente aufweisen. Alternativ dazu kann das Matrixmodul eine Vielzahl von LED-Arrays als Halbleiterbauelemente aufweisen. Das Matrixmodul kann auch eine Kombination aus Einzel-LEDs und LED-Arrays aufweisen. Das Matrixmodul kann mehrere Lichtmodule, beispielsweise, zwei, drei, vier, fünf oder zehn Lichtmodule aufweisen. Das jeweilige Lichtmodul weist vorzugsweise m×n wärmeproduzierende Halbleiterbauelemente auf, wobei bevorzugt m ≥ 2 und n ≥ 2. Beispielsweise weist das Matrixmodul ein 4×8×8 Licht Matrix Modul auf.
Die Halbleiterbauelemente sind auf dem Vielschichtkeramiksubstrat angeordnet. Die Halbleiterbauelemente werden durch das Vielschichtkeramiksubstrat zu dem Matrixmodul verbunden. Die Halbleiterbauelemente sind auf einer Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats befestigt, beispielsweise über ein wärmeleitendes Material, zum Beispiel eine Lotpaste oder eine Silbersinterpaste (Ag-Sinterpaste). Das Matrixmodul ist bzw. die Halbleiterbauelemente sind über das wärmeleitende Material thermisch und elektrisch an das Vielschichtkeramiksubstrat angebunden.
Das Vielschichtkeramiksubstrat dient zur mechanischen Stabilisierung und zur Kontaktierung des Matrixmoduls insbesondere der wärmeproduzierenden Halbleiterbauelemente des Matrixmoduls. Das Trägersystem kann beispielsweise zwei, drei oder mehr Matrixmodule aufweisen. Jedes Matrixmodul kann dabei auf einem separaten Vielschichtkeramiksubstrat angeordnet sein. Alternativ können mehrere Matrixmodule auch auf einem gemeinsamen Vielschichtkeramiksubstrat angeordnet sein.
Das Trägersystem weist ein weiteres Substrat auf. Vorzugsweise ist das weitere Substrat isolierend oder halbleitend ausgebildet. Vorzugsweise weist das weitere Substrat eine inerte Oberfläche auf. Unter „inert“ wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine Oberfläche des weiteren Substrats einen hohen Isolationswiderstand aufweist. Der hohe Isolationswiderstand schützt die Oberfläche des Substrats gegen äußere Einflüsse. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche beispielsweise unempfindlich gegenüber elektrochemischen Prozessen, wie dem Abscheiden von metallischen Schichten auf der Oberfläche. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche des Substrats ferner unempfindlich gegen aggressive Medien, z.B. aggressive Flussmittel, die beispielsweise bei Lötprozessen eingesetzt werden.
Das Substrat kann ein keramisches Substrat aufweisen. Insbesondere kann das Substrat AlN oder AlO_x, beispielsweise Al₂O₃, aufweisen. Das Substrat kann aber auch Siliziumcarbid (Sic) oder Bornitrid (BN) aufweisen. Das Substrat kann ein weiteres Vielschichtkeramiksubstrat aufweisen. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil in einem Vielschichtkeramiksubstrat eine Vielzahl von internen Strukturen (Leiterbahnen, ESD Strukturen, Durchkontaktierungen) integriert werden können. Das weitere Substrat kann beispielsweise eine Varistorkeramik aufweisen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Substrat als IMS Substrat ausgebildet sein. Alternativ dazu kann das Substrat eine Metallkernleiterplatte (metal core pcp) aufweisen.
Das Substrat dient der mechanischen und thermomechanischen Stabilisierung des Trägersystems. Das Vielschichtkeramiksubstrat ist auf dem weiteren Substrat, insbesondere an einer Oberseite des Substrats, angeordnet. Beispielsweise kann ein wärmeleitendes Material, zum Beispiel eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste, zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat und dem weiteren Substrat ausgebildet sein. Das wärmeleitende Material dient der thermischen und elektrisch leitenden Verbindung von Substrat und Vielschichtkeramiksubstrat. Alternativ dazu kann das weitere Substrat auch über eine Kombination aus einer Wärmeleitpaste und einen Lötpaste bzw. Ag-Sinterpaste thermisch und elektrisch an das Vielschichtkeramiksubstrat angebunden sind. Beispielsweise können BGA (Ball-grid-Array) Kontakte kranzförmig in einem Randbereich des Vielschichtkeramiksubstrats ausgebildet sein. Wärmeleitpaste kann ferner in einem weiteren Bereich, z.B. in einem Innenbereich bzw. mittleren Bereich der Unterseite des Vielschichtkeramiksubstrats, zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat und dem weiteren Substrat ausgebildet sein. Die Wärmeleitpaste hat isolierende Eigenschaften. Insbesondere dient die Wärmeleitpaste nur der thermischen Anbindung.
Das Matrixmodul ist über das Vielschichtkeramiksubstrat und das weitere Substrat elektrisch leitend mit einer Treiberschaltung verbunden. Die Treiberschaltung dient der Ansteuerung der Halbleiterbauelemente.
Der Aufbau des Trägersystems über das Vielschichtkeramiksubstrat erlaubt eine sehr kompakte Ausführung und die Integration von elektronischen Komponenten direkt in die Keramik. Durch das Substrat wird die Robustheit des Systems gesteigert und eine zusätzliche Umverdrahtung ermöglicht. Damit wird ein kompaktes, sehr adaptives und langlebiges Trägersystem zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Vielschicht-Trägersystem dazu ausgebildet die Halbleiterbauelemente des Matrixmoduls einzeln anzusteuern. Vorzugsweise weist das Vielschichtkeramiksubstrat eine integrierte Vielschichteinzelverdrahtung zur Einzelansteuerung der Halbleiterbauelemente auf. Der Begriff „integriert“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Vielschichteinzelverdrahtung in einem Innenbereich des Vielschichtkeramiksubstrats ausgebildet ist. Das weitere Substrat dient als weitere Umverdrahtungsebene für die Einzelansteuerung der Halbleiterbauelemente. Durch den Vielschichtkeramikaufbau wird die Einzelansteuerung der Halbleiterbauelemente auf engstem Raum ermöglicht. Damit wird ein sehr kompaktes Trägersystem zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Treiberschaltung vorzugsweise eine Übertemperaturschutzfunktion und / oder eine Überstrom- bzw. Überspannungsschutzfunktion auf. Die Treiberschaltung kann beispielsweise einen NTC (negative temperature coefficient) Thermistor zum Schutz vor zu hohen Temperaturen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Treiberschaltung einen PCT (positive temperature coefficient) Thermisor zum Schutz vor Überstrom aufweisen.
Die Treiberschaltung ist vorzugsweise direkt auf einer Oberfläche des Substrats, beispielsweise der Oberseite des Substrats, aufgebaut. Das Substrat dient in diesem Fall als Treibersubstrat. Die Treiberschaltung ist vorzugsweise direkt mit Leiterbahnen, z.B. Kupferleitungen, auf der Oberfläche des Substrats verbunden. Diese Leiterbahnen sind direkt mit der in dem Vielschichtkeramiksubstrat integrierten Einzelverdrahtung verbunden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Trägersystem eine Leiterplatte auf. Die Leiterplatte umgibt das Substrat zumindest teilweise. Das Substrat ist vorzugsweise in einer Aussparung der Leiterplatte angeordnet. Die Aussparung durchdringt die Leiterplatte vollständig. Die Treiberschaltung ist direkt auf einer Oberfläche der Leiterplatte aufgebaut. Die Treiberschaltung ist vorzugsweise direkt mit Leiterbahnen auf der Oberfläche der Leiterplatte verbunden. Die Leiterbahnen auf der Leiterplatte sind entweder direkt mit der in dem Vielschichtkeramiksubstrat integrierten Einzelverschaltung verbunden oder sie sind mit Leiterbahnen auf dem Substrat verbunden, beispielsweise über einen Steckerkontakt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Vielschichtkeramiksubstrat eine Varistorkeramik auf. Beispielsweise weist das Vielschichtkeramiksubstrat überwiegend ZnO auf. Das Vielschichtkeramiksubstrat kann ferner Wismut, Antimon, Praseodym, Yttrium und / oder Calcium und / oder weitere Dotierungen aufweisen. Das Vielschichtkeramiksubstrat kann Strontium-Titanat (SrTiO₃) oder Silizium-Carbid (SiC) aufweisen. Durch die Varistorkeramik kann ein Überspannungsschutz in das Trägersystem integriert werden. Kompakte Abmessungen werden hierbei mit optimalem Schutz für elektronische Strukturen vereint.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Vielschichtkeramiksubstrat eine Vielzahl von Innenelektroden und Durchkontaktierungen auf. Die Innenelektroden sind zwischen Varistorschichten des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet. Die Innenelektroden weisen Ag und / oder Pd auf. Vorzugsweise bestehen die Innenelektroden zu 100 % aus Ag. Die Innenelektroden sind elektrisch leitend mit den Durchkontaktierungen verbunden. Vorzugsweise weist das Vielschichtkeramiksubstrat wenigstens eine integrierte ESD Struktur zum Schutz vor Überspannungen auf. Alle Komponenten sind platzsparend im Innenbereich des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet. Somit wird die Einzelansteuerung der Halbleiterbauelemente auf engstem Raum ermöglicht. Die Varistorkeramik erlaubt neben der Integration der Überspannungsschutzfunktion auch die Integration eines Temperatursensors oder eines Temperaturschutzes. Damit wird ein sehr adaptives und langlebiges Trägersystem zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Vielschichtkeramiksubstrat eine thermische Leitfähigkeit von größer oder gleich 22 W / mK auf. Die thermische Leitfähigkeit ist deutlich höher als die thermische Leitfähigkeit bekannter Trägersubstrate, wie beispielsweise einem IMS Substrat, das eine thermische Leitfähigkeit von 5–8 W / mK aufweist. Damit kann die durch das Matrixmodul erzeugte Wärme optimal abgeleitet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Trägersystem einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper dient der Abfuhr von Wärme aus dem Trägersystem. Der Kühlkörper ist vorzugsweise thermisch an das weitere Substrat angebunden. Beispielsweise ist zwischen dem Kühlkörper und dem Substrat ein wärmeleitendes Material, bevorzugt eine Wärmeleitpaste, ausgebildet. Die Wärmeleitpaste dient der elektrischen Isolierung von Kühlkörper und weiterem Substrat. Durch die Wärmeleitpaste wird die von den Halbleiterbauelementen erzeugte Wärme effektiv dem Kühlkörper zugeleitet und von diesem aus dem System abgeleitet. Die Wärmeleitpaste ist ferner dazu ausgebildet und angeordnet thermische Spannungen zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat / dem weiteren Substrat und dem Kühlkörper, die beispielsweise durch den Temperaturwechsel beim Anschalten der Halbleiterbauelemente erzeugt werden, abzupuffern.
Der Kühlkörper kann beispielsweise Aluminium-Gussmaterial aufweisen. Ein entsprechender Kühlkörper hat einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Beispielsweise liegt der Ausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers bei 18 bis 23 ppm / K. Der Ausdehnungskoeffizient des Vielschichtkeramiksubstrats liegt im Bereich von 6 ppm / K. Der Ausdehnungskoeffizient des weiteren Substrats liegt im Bereich von 4 bis 9 ppm / K, beispielsweise bei 6 ppm / K. Die Ausdehnungskoeffizienten von Vielschichtkeramiksubstrat und weiterem Substrat sind vorzugsweise gut aneinander angepasst. Zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat und dem weiteren Substrat kann es bei Temperaturwechseln (beispielsweise bei Lötprozessen oder beim Ansteuern der Halbleiterbauelemente) zu thermischen Spannungen kommen. Durch die optimale Abstimmung von Vielschichtkeramiksubstrat und weiterem Substrat können die entsprechenden Spannungen gut kompensiert werden. Durch die Wärmeleitpaste zwischen Kühlkörper und Vielschichtkeramiksubstrat bzw. weiterem Substrat können die thermische Unterschiede und die damit auftretenden thermischen Ausdehnungen zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat bzw. dem weiteren Substrat und dem Kühlkörper ausgeglichen werden. Damit wird ein besonders langlebiges Trägersystem zur Verfügung gestellt.
Der Kühlkörper kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel aber auch Aluminium-Siliziumcarbid aufweisen. Der Kühlkörper kann eine Kupfer-Wolfram Legierung oder eine Kupfer-Molybdän Legierung aufweisen. Der Kühlkörper kann insbesondere Molybdän aufweisen, das auf Kupfer aufgebaut ist. Aluminium-Siliziumcarbid, Kupfer-Wolfram sowie Kupfer-Molybdän haben den Vorteil, dass diese Materialien einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie das Vielschichtkeramiksubstrat bzw. wie das weitere Substrat. Beispielsweise weist ein entsprechender Kühlkörper einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 7 ppm / K auf. Damit können thermische Spannungen zwischen Vielschichtkeramiksubstrat / weiterem Substrat und Kühlkörper verringert bzw. vermieden werden. In diesem Fall kann der Einsatz der Wärmeleitpaste daher auch entfallen bzw. eine Schichtdicke der Wärmeleitpaste kann geringer ausfallen als in dem Ausführungsbeispiel mit dem Kühlkörper aus Aluminium-Gussmaterial.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Trägersystems beschrieben. Durch das Verfahren wird vorzugsweise das oben beschriebene Trägersystem hergestellt. Sämtliche Merkmale, die in Zusammenhang mit dem Trägersystem beschrieben wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt. Die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte können dabei auch in einer von der Beschreibung abweichenden Reihenfolge ausgeführt werden.
In einem ersten Schritt wird ein Substrat, insbesondere das oben beschriebene Substrat, bereitgestellt. Das Substrat kann ein keramisches Substrat aufweisen. Das Substrat kann ein metallisches Substrat aufweisen. Vorzugsweise sind Leiterbahnen an einer Oberfläche des Substrats ausgebildet. Ein Vielschichtkeramiksubstrat, insbesondere das oben beschriebene Vielschichtkeramiksubstrat mit Leiterbahnen/Innenelektroden, wenigstens einer ESD Struktur und Durchkontaktierungen, wird auf dem Substrat angeordnet. Vorzugsweise wird vorher ein wärmeleitendes Material, beispielsweise eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste, an der Oberseite des Substrats und/oder an der Unterseite des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet.
In einem weiteren Schritt wird wenigstens ein Matrixmodul von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen an einer Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet. Vorzugsweise wird vorher ein wärmeleitendes Material, beispielsweise eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste, an der Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet. Die Halbleiterelemente werden über das Vielschichtkeramiksubstrat zu dem Matrixmodul verbunden.
In einem weiteren Schritt wird das Matrixmodul mit dem Vielschichtkeramiksubstrat versintert, beispielsweise mittels Ag-Sintern, zum Beispiel µAg-Sintern.
In einem optionalen weiteren Schritt wird eine Leiterplatte bereitgestellt. Die Leiterplatte weist eine Aussparung auf, welche die Leiterplatte vollständig durchdringt. Das Substrat wird zumindest teilweise in die Aussparung eingebracht. Mit anderen Worten, die Leiterplatte wird um das Substrat herum angeordnet. Die Leiterplatte wird elektrisch leitend mit dem Substrat verbunden, beispielsweise über einen Steckerkontakt oder einen Bonddraht.
In einem weiteren Schritt werden Treiberbauelementen zur Verfügung gestellt. Die Treiberbauelemente werden in einem Ausführungsbeispiel auf dem Substrat, insbesondere einer Oberfläche des Substrats, angeordnet zur Ansteuerung der Halbleiterbauelemente über die Leiterbahnen und Durchkontaktierungen des Vielschichtkeramiksubstrats. Alternativ dazu, in dem Ausführungsbeispiel mit der Leiterplatte, werden die Treiberbauelemente auf der Leiterplatte, insbesondere einer Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet.
In einem weiteren Schritt wird das Substrat mit einem Kühlkörper thermisch verbunden. Beispielsweise wird in einem vorangehenden Schritt wärmeleitendes Material an einer Unterseite des Substrats angeordnet. Das wärmeleitende Material weist vorzuweise eine elektrisch isolierende Wärmeleitpaste auf. Das Anordnen des wärmeleitenden Materials kann aber auch bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Kühlkörpers (Aluminium-Siliziumcarbid, Kupfer-Wolfram oder Kupfer-Molybdän Kühlkörper) entfallen.
Das Trägersystem weist wenigstens ein Matrix Lichtmodul mit punktförmiger Einzelansteuerung von einer großen Anzahl von LEDs auf. Damit kann die Umgebung sehr differenziert ausgeleuchtet bzw. ausgeblendet werden. Der Aufbau über einen Vielschicht Varistor mit hoher thermischer Leitfähigkeit erlaubt eine sehr kompakte Ausführung sowie die Integration von ESD Schutzbauelementen in die Keramik. Damit wird ein kompaktes und sehr adaptives Trägersystem bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines Vielschicht-Trägersystems beschrieben. Sämtliche Merkmale, die in Zusammenhang mit dem Trägersystem und dem Verfahren zur Herstellung des Trägersystems beschrieben wurden, finden auch für die Verwendung Anwendung und umgekehrt.
Es wird die Verwendung eines Vielschicht-Trägersystems, insbesondere des oben beschriebenen Vielschichtträgersystems beschrieben. Das Trägersystem wird beispielsweise in einem Matrix LED Scheinwerfer im Automobilbereich verwendet. Das Trägersystem kann auch im Medizinbereich verwendet werden, beispielsweise mit dem Einsatz von UV-LEDs. Das Trägersystem kann für Anwendungen in der Leistungselektronik verwendet werden. Das oben beschriebene Trägersystem ist sehr adaptiv und kann folglich in verschiedensten Systemen Anwendung finden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines Vielschichtkeramiksubstrats beschrieben. Das Vielschichtkeramiksubstrat entspricht vorzugsweise dem oben beschriebenen Vielschichtkeramiksubstrat. Das Vielschichtkeramiksubstrat weist vorzugsweise einen Varistorkeramik bzw. einen Vielschichtvaristor auf. Das Vielschichtkeramiksubstrat weist vorzugsweise eine integrierte Vielschichteinzelverdrahtung zur Einzelansteuerung wärmeproduzierender Halbleiterbauelemente auf. Die wärmeproduzierenden Halbleiterbauelemente können Lichtquellen, beispielsweise LEDs, aufweisen. Die wärmeproduzierenden Halbleiterbauelemente weisen vorzugsweise ein LED Matrix Modul auf. Das Vielschichtkeramiksubstrat wird vorzugsweise in dem oben beschriebenen Trägersystem verwendet. Das Vielschichtkeramiksubstrat wird vorzugsweise für die oben beschriebenen Anwendungen im Automobilbereich, Medizinbereich und / oder Leistungselektronikbereich verwendet.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf ein Vielschicht-Trägersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel,
1a eine Draufsicht auf ein wärmeproduzierendes Halbleiterbauelement,
1b eine Draufsicht auf das wärmeproduzierende Halbleiterbauelement gemäß 1b,
1c eine Draufsicht auf ein wärmeproduzierendes Halbleiterbauelement gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
2 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht-Trägersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht-Trägersystems gemäß dem Ausführungsbeispiel aus gur 1,
4 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht-Trägersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel,
5 die Darstellung einer internen Beschaltung für das Vielschicht-Trägersystem gemäß 4,
6 die Darstellung einer internen Beschaltung für das Vielschicht-Trägersystem gemäß 3,
7 ein Ausführungsbeispiel für eine interne Beschaltung eines Vielschicht-Trägersystems,
8 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht-Trägersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
9 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht-Trägersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
10 ein Ausführungsbeispiel für ein Treiberkonzept für ein Vielschicht-Trägersystem.
Die 1 und 3 zeigt eine Draufsicht sowie eine Schnittansicht eines Vielschicht-Trägersystems 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Vielschicht-Trägersystem 10, kurz Trägersystem 10, weist eine Wärmequelle 1 auf. Das Trägersystem 10 kann aber auch mehrere Wärmequellen, beispielsweise zwei, drei oder mehr Wärmequellen 1, aufweisen. Die jeweilige Wärmequelle 1 weist vorzugsweise eine Vielzahl von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen 1a, 1b auf.
Die Wärmequelle 1 kann zwei, drei, 10 oder mehr, vorzugsweise eine Vielzahl, von Einzel-LEDs 1a aufweisen. Die 1a zeigt eine Draufsicht auf eine Oberseite einer Einzel-LED 1a. Die 1b zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite der Einzel-LED 1a mit p-Anschlussbereich 11a und n-Anschlussbereich 11b.
Die Wärmequelle 1 kann aber auch ein LED-Array 1b oder mehrere LED-Arrays 1b aufweisen (siehe 1c). Bevorzugt ist die Wärmequelle als LED Matrixmodul 7 mit einer Vielzahl von LEDs 1a und / oder LED-Arrays 1b ausgebildet. Beispielsweise weist die Wärmequelle ein 4×8×8 LED Matrix Modul mit insgesamt 256 LEDs auf. Vorzugsweise ist das Trägersystem 10 ein Multi-LED Trägersystem.
Das Trägersystem 10 weist ein Vielschichtkeramiksubstrat 2 auf. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 dient als Trägersubstrat für die Wärmequelle 1. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 ist dazu ausgebildet die von der Wärmequelle 1 erzeugte Wärme effektiv abzuführen. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 ist ferner dazu ausgebildet die Wärmequelle 1 und insbesondere die einzelnen LEDs elektrisch zu kontaktieren, wie später im Detail beschrieben wird.
Die Wärmequelle 1 ist auf dem Vielschichtkeramiksubstrat 2, insbesondere einer Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2, angeordnet. Beispielsweise ist zwischen der Wärmequelle 1 und der Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2 ein wärmeleitendes Material 6a (3), vorzugsweise eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste ausgebildet. Das wärmeleitende Material 6a weist ein Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit auf. Das wärmeleitende Material 6a dient ferner der elektrischen Kontaktierung des Vielschichtkeramiksubstrats 2.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist ebenfalls eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Beispielsweise beträgt die thermische Leitfähigkeit des Vielschichtkeramiksubstrats 2 22 W / mK. Durch die hohe thermische Leitfähigkeit von wärmeleitendem Material 6a und Vielschichtkeramiksubstrat 2 kann die von der Wärmequelle 1 erzeugte Wärme effektiv weitergeleitet und – beispielsweise über einen Kühlkörper 4 – aus dem Trägersystem 10 abgeleitet werden.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 ist vorzugsweise ein Vielschichtvaristor. Bei einem Varistor handelt es sich um ein nicht-lineares Bauelement, dessen Widerstand bei Überschreiten einer bestimmten angelegten Spannung stark absinkt. Ein Varistor ist daher geeignet, Überspannungspulse unschädlich abzuleiten. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 und insbesondere die Varistorschichten (nicht explizit dargestellt) umfassen vorzugsweise Zinkoxid (ZnO), insbesondere polykristallines Zinkoxid. Vorzugsweise bestehen die Varistorschichten mindestens zu 90 % aus ZnO. Das Material der Varistorschichten kann mit Wismut, Praseodym, Yttrium, Calcium und / oder Antimon oder weiteren Zusätzen oder Dotierstoffen dotiert sein. Alternativ dazu können die Varistorschichten aber beispielsweise auch Silizium-Carbid oder Stronzium-Titanat aufweisen.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist eine Dicke oder vertikale Ausdehnung von 200 bis 500 µm auf. Vorzugsweise weist das Vielschichtkeramiksubstrat 2 eine Dicke von 300 µm oder 400 µm auf. Vorzugsweise ist eine Metallisierung an einer Oberseite und einer Unterseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2 ausgebildet (nicht explizit dargestellt). Die jeweilige Metallisierung weist eine Dicke von 1 µm bis 15 µm, beispielsweise 3 µm bis 4 µm auf. Eine große Dicke der Metallisierung hat den Vorteil, das Wärme, die von den LEDs 1a / LED-Arrays 1b der Wärmequelle 1 erzeugt wird, auch über die Oberfläche des Vielschichtkeramiksubstrats 2 an die Umgebung abgegeben werden kann (seitliche Wärmekonvektion), da die Wärmeleitfähigkeit an der Oberfläche verbessert ist.
Das Trägersystem 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein weiteres, beispielsweise keramisches, Substrat 3 auf. Das Substrat 3 dient zur Verbesserung der mechanischen und thermomechanischen Robustheit des Trägersystems 10. Das Substrat 3 kann beispielsweise AlN oder Al₂O₃ aufweisen (keramisches Substrat). Das Substrat 3 kann ein weiteres Vielschichtkeramiksubstrat, insbesondere eine weitere Varistorkeramik mit einem anderen Material aufweisen. Alternativ dazu kann als Substrat aber auch ein IMS (Insulated Metal Substrat) oder eine Metallkern Leiterplatte Anwendung finden. Ein IMS ist beispielsweise ein isoliertes Metallsubstrat, das Aluminium oder Kupfer aufweist. An einer Oberfläche des IMS ist eine isolierende Keramik oder eine isolierende Polymerschicht ausgebildet, welche Kupferleitungen zur Umverdrahtung für die Ansteuerung der einzelnen LEDs aufweist. Das Substrat 3 weist eine Dicke oder vertikale Ausdehnung von 300 µm bis 1 mm, beispielsweise 500 µm, auf.
Neben der Wärmeleitung und einer Umverdrahtung für die LEDs hat das Substrat 3 auch den Zweck die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers 4 und des Vielschichtkeramiksubstrats 2 zu kompensieren. Damit wird ein stabiles und langlebiges Trägersystem 10 realisiert.
Das Substrat 3 ist an einer Unterseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2 angeordnet. Beispielsweise ist das Substrat 3 über ein – wie oben beschriebenes – wärmeleitendes Material 6a, beispielsweise eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste, mit dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 verbunden. Das wärmeleitende Material 6a weist eine Dicke oder vertikale Ausdehnung zwischen 10 µm und 500 µm, beispielsweise 300 µm, auf.
Das Substrat 3, insbesondere eine Unterseite des Substrats 3, ist mit dem oben erwähnten Kühlkörper 4 verbunden, der dazu dient die von der Wärmequelle 1 erzeugte Wärme aus dem System abzuführen. Beispielsweise ist das Substrat 3 mit dem Kühlkörper 4 verklebt oder verschraubt. Vorzugsweise ist zwischen dem Substrat 3 und dem Kühlkörper 4 wärmeleitendes Material 6b, insbesondere eine elektrisch isolierende Wärmeleitpaste, angeordnet. Alternativ dazu kann ein Einsatz des wärmeleitenden Materials 6b aber auch entfallen oder geringer ausfallen (nicht explizit dargestellt), wenn der Kühlkörper 4 einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Substrat 3 aufweist (Kühlkörper 4 aufweisend Aluminium-Siliziumcarbid, Kupfer-Wolfram oder Kupfer-Molybdän). Vorzugsweise weist der Kühlkörper 4 in diesem Fall Molybdän auf, das auf Kupfer aufgebaut ist.
Der Kühlkörper 4 weist Kühlrippen 4a auf. Zur Erzielung einer guten Konvektion muss eine starke Belüftung der Kühlrippen 4a erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kühlung des Trägersystems 10 auch mittels Wasserkühlung erzielt werden.
Zur Ansteuerung der Wärmequelle 1 und insbesondere der einzelnen LEDs 1a, 1b weist das Trägersystem 10 eine interne Beschaltung bzw. Umverdrahtung auf. Insbesondere weist das Vielschichtkeramiksubstrat 2 eine integrierte, d.h. sich im Inneren des Vielschichtkeramiksubstrats 2 befindliche, Einzelbeschaltung / Verdrahtung für die LEDs der Wärmequelle 1 auf. Mit anderen Worten, die LEDs können über das bzw. mit Hilfe des Vielschichtkeramiksubstrats 2 einzeln angesteuert werden.
Ein Beispiel für eine interne Beschaltung für ein Vielschichtbauelement 10 gemäß den 1 und 3 ist dabei in den 6 und 7 dargestellt. In 7 ist die interne Beschaltung einer Reihe von 8 LEDs mit Verschaltung über vier Ebenen zur Einzelansteuerung und 5 Masseebenen ausgeführt. Dargestellt ist eine Halbzeile für acht Module.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist eine Mehrzahl von Innenelektroden 202 (7) auf, die zwischen den Varistorschichten ausgebildet sind. Die Innenelektroden 202 sind innerhalb des Vielschichtkeramiksubstrats 2 übereinander angeordnet. Die Innenelektroden 202 sind weiterhin zweckmäßigerweise elektrisch voneinander getrennt. Vorzugsweise sind die Innenelektroden 202 weiterhin derart übereinander angeordnet und ausgebildet, dass diese zumindest teilweise überlappen.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist wenigstens eine Durchkontaktierung / ein Via 8, 201 (3 und 7), vorzugsweise mehrere Vias 8, 201 auf. Ein Via 8, 201 weist dabei eine Aussparung in dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 auf, welche mit einem elektrisch leitendem Material, insbesondere einem Metall, gefüllt ist. Die Vias 8, 201 dienen dazu die LEDs mit einer Treiberschaltung elektrisch zu verbinden, wie später im Detail beschrieben wird. Die Vias 8, 201 sind mit den Innenelektroden 202 elektrisch leitend verbunden.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist zur Einzelansteuerung der LEDs ferner einen Kontaktbereich 21 zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts mit der Wärmequelle 1 auf. Der Kontaktbereich 21 ist in einem zentralen Bereich des Vielschichtkeramiksubstrats 2 ausgebildet (6). Der Kontaktbereich 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel in vier Teilbereiche aufgeteilt (6) zur Kontaktierung eines Einzelmoduls von jeweils 8×8 LEDs. Insgesamt soll damit über die interne Beschaltung eine sehr große Anzahl von beispielsweise 256 (4×8×8) LEDs angesteuert werden. Der Kontaktbereich 21 ist mit Top Kontakten bzw. Anschlusspads 200 für die LEDs versehen (7), die mit den Innenelektroden 202 elektrisch leitend verbunden sind.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist ferner einen Kontakt 25 auf, um eine elektrisch leitfähige Verbindung zu dem Substrat 3 herzustellen. Der Kontakt 25 ist vorzugsweise in einem Randbereich des Vielschichtkeramiksubstrats 2 ausgebildet (6). Der Kontakt 25 ist bevorzugt ein BGA Kontakt (Lotkugeln) oder wird mittels Drahtbonds realisiert. Der Kontakt 25 dient neben der elektrischen Anbindung auch als Stresspuffer indem er thermomechanische Unterschiede zwischen Substrat 3 und Vielschichtsubstrat 2 ausgleicht.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist ferner eine integrierte ESD (Electro Static Discharge) Struktur 22 auf. Die ESD Struktur 22 weist eine ESD Elektrodenfläche 220, 220‘ und eine Masselelektrode 221 auf. Wie die Innenelektroden 202 und die Vias 8, 201 wird auch die ESD Struktur 22 bei der Herstellung des Vielschichtkeramiksubstrats 2 in das Substrat 2 integriert. Die Wärmequelle 1, welche gegen Überspannungen, wie sie z.B. durch einen ESD-Impuls ausgelöst sein kann, sehr empfindlich ist, wird mit Hilfe der ESD Struktur 22 gegen diese Strom- oder Spannungsstöße geschützt. Die ESD Struktur 22 ist rahmenförmig um den zentralen Kontaktbereich 21 herum realisiert (6). Um die ESD Struktur 22 ist ferner der Kontakt 25 rahmenförmig realisiert (6).
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 kann ferner einen integrierten Temperatursensor bzw. eine Temperaturüberschutzfunktion aufweisen (nicht explizit dargestellt).
Durch den Vielschichtaufbau des Vielschichtkeramiksubstrats 2 wird die Einzelansteuerung der LEDs auf engstem Raum realisiert. Die Varistorkeramik erlaubt dabei wie oben beschrieben auch die Integration einer Überspannungsschutzfunktion (ESD, Surgepulse) sowie einer Temperaturüberschutzfunktion. Damit kann ein kompaktes und sehr adaptives Trägersystem 10 erreicht werden, das unterschiedlichsten Anforderungen gerecht wird.
Zur Ansteuerung der Wärmequelle 1 und insbesondere der LEDs weist das Trägersystem 10 letztlich eine Treiberschaltung auf (nicht explizit dargestellt). Die Treiberschaltung kann implementierte Schutzfunktionen aufweisen. Die Treiberschaltung weist vorzugsweise einen Übertemperaturschutz (beispielsweise über einen NTC Thermistor) und / oder einen Überspannungs- oder Überstromschutz (beispielsweise über einen PTC Thermistor) auf.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Treiberschaltung auf dem Substrat 3, insbesondere auf einer Oberfläche des Substrats 3, realisiert. Vorzugsweise ist die Treiberschaltung mittels Reflowlöten an der Oberseite des Substrats 3 realisiert. Die Treiberschaltung ist mit metallischen Leiterbahnen, beispielsweise Kupferleitungen, an der Oberfläche des Substrats 3 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel dient das Substrat 3 folglich als Treibersubstrat. Das Substrat 3 dient insbesondere als weitere Umverdrahtungsebene um die LEDs einzeln über die Treiberschaltung anzusteuern. Die Leiterbahnen an der Oberfläche des Substrats 3 sind mit der in dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 integrierten Verdrahtung elektrisch leitend verbunden um die LEDs einzeln anzusteuern.
Die 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht-Trägersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu dem Vielschicht-Trägersystem gemäß der 1 und 3 weist das Trägersystem 10 aus 2 kein weiteres Substrat 3 auf. Vielmehr ist das Vielschichtkeramiksubstrat 2 in diesem Ausführungsbeispiel direkt mit dem Kühlkörper 4 verbunden. Zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 und dem Kühlkörper 4 kann ein wärmeleitendes Material 6b (elektrisch isolierende Wärmeleitpaste) angeordnet sein.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Treiberschaltung direkt auf einer Oberfläche des Vielschichtkeramiksubstrats 2, beispielsweise dessen Unterseite, realisiert. Durch das Wegfallen des Substrats 3 (Treibersubstrat) kann der Aufbau des Vielschicht-Trägersystems 10 vereinfacht werden. Insbesondere sind alle für die Einzelansteuerung der LEDs erforderlichen elektronischen Bausteine, wie die Umverdrahtung und die Treiberschaltung im bzw. auf dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 realisiert.
Alle weiteren Merkmale des Vielschicht-Keramiksubstrats 10 gemäß 2, insbesondere der Aufbau und die Zusammensetzung des Vielschichtkeramiksubstrats 2 sowie die interne Beschaltung (siehe 7) entsprechen den in Zusammenhang mit den 1 und 3 beschriebenen Merkmalen.
Die 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht-Trägersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu dem Trägersystem gemäß den 1 und 3 beschrieben.
Im Gegensatz zu dem Vielschicht-Trägersystem gemäß der 1 und 3 weist das Trägersystem 10 zusätzlich eine Leiterplatte 5 auf. Die Leiterplatte 5 umgibt das Substrat 3. Vorzugsweise ist das Substrat 3 wenigstens an dessen Stirnseiten vollständig von der Leiterplatte 5 umgeben.
Zu diesem Zweck weist die Leiterplatte 5 eine Aussparung 5a auf, in der das Substrat 3 angeordnet ist. Die Aussparung 5a durchdringt die Leiterplatte 5 vollständig. Die Leiterplatte 5 ist mittels einer Steckerverbindung 26 oder einem Bonddraht 26 elektrisch leitend mit dem Substrat 3 verbunden. Wie in Zusammenhang mit den 1 und 3 beschrieben, ist das Substrat 3 thermisch verbunden. Beispielsweise ist zwischen dem Substrat 3 und dem Kühlkörper 4 wärmeleitendes Material 6b (elektrisch isolierende Wärmeleitpaste) angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Treiberschaltung direkt auf einer Oberfläche der Leiterplatte 5, beispielsweise deren Oberseite, realisiert (nicht explizit dargestellt). Das Substrat 3 dient neben dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 als weitere Umverdrahtungsebene, um die LEDs einzeln über die Treiberschaltung anzusteuern. Insbesondere kann die Treiberschaltung mit elektrischen Leitungen an der Oberfläche des Substrats 3 verbunden sein. Jedoch stellt das Substrat 3 in diesem Ausführungsbeispiel kein Treibersubstrat dar, da die Treiberschaltung auf der Leiterplatte 5 und nicht auf dem Substrat 3 angeordnet ist.
Die 5 zeigt ein Beispiel für eine interne Beschaltung für ein Vielschichtbauelement 10 gemäß der 4. Dargestellt ist dabei die interne Beschaltung eines 4×8×8 Licht Matrix Moduls mit Einzelansteuerung von 256 LEDs und integrierten ESD Schutz am Eingang eines Steckerkontakts und am Eingang zum LED Modul.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist dabei den Kontaktbereich 21 zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts mit der LED Matrix auf. Der Kontaktbereich 21 ist in vier zentrale Teilbereiche aufgeteilt zur Kontaktierung eines Einzelmoduls von jeweils 8×8 LEDs.
Rahmenförmig um den Kontaktbereich 21 angeordnet befindet sich die ESD Struktur 22. Über einen physikalischen Steckerkontakt 24 in einem äußeren Randbereich des Vielschichtkeramiksubstrats 2 wird eine elektrisch leitende Verbindung zur Treiberschaltung auf der Leiterplatte 5 hergestellt. Zwischen dem Steckerkontakt 24 und der ESD Struktur 22 ist die Umverdrahtung 23 zur Einzelkontaktierung der LEDs ausgebildet (siehe hierzu auch 7). Die ESD Struktur 22 ist am Eingang des Steckerkontakts 24 sowie am Eingang zum Kontaktbereich 21 ausgebildet.
Alle weiteren Merkmale des Vielschicht-Keramiksubstrats 10 gemäß der 4 entsprechen den in Zusammenhang mit den 1 und 3 beschriebenen Merkmalen. Dies betrifft insbesondere die Struktur und die Verbindung von der Wärmequelle 1, dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 sowie dem Substrat 3 sowie die detaillierte Ausgestaltung von Einzelverdrahtung / Umverdrahtung und Treiberschaltung.
Die 8 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht-Trägersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Trägersystem 10 weist mehrere Wärmequellen 1, 1‘ auf. Insbesondere zeigt 8 zwei Wärmequellen 1, 1‘, jedoch kann auch eine größere Anzahl von Wärmequellen, beispielsweise drei, vier oder fünf Wärmequellen, vorgesehen sein.
Die jeweilige Wärmequelle 1, 1‘ weist ein LED Matrix Modul auf, wobei das jeweilige Modul eine unterschiedliche Anzahl von LEDs aufweist. Beispielsweise weist die Wärmequelle 1‘ eine geringere Anzahl von LEDs (Einzel LEDs 1a und / oder LED-Arrays 1b), zum Beispiel die Hälfte der LEDs, auf wie die Wärmequelle 1. Die Wärmequelle 1‘ produziert folglich weniger Wärme als die Wärmequelle 1.
Wie bereits in Zusammenhang mit dem Trägersystem 10 aus 2 beschrieben, dessen grundlegender Aufbau dem des Trägersystems 10 aus 8 entspricht, ist die jeweilige Wärmequelle 1, 1‘ auf einem Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘ angeordnet. Dabei ist für jede Wärmequelle 1, 1‘ ein separates Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘ vorgesehen. Vorzugsweise befindet sich wärmeleitendes Material 6a, 6a‘ (Lotpaste oder Ag-Sinterpaste) zwischen der jeweiligen Wärmequelle 1, 1‘ und dem jeweiligen Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘ (nicht explizit dargestellt).
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘ ist jeweils auf einem separaten Kühlkörper 4, 4‘ angeordnet. Zwischen dem Kühlkörper 4, 4‘ und dem Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘ kann wiederrum wärmeleitendes Material 6b, 6b‘ (elektrisch isolierende Wärmeleitpaste) angeordnet sein.
Durch die Verwendung von separaten Kühlkörpern 4, 4‘ bzw. Kühlsystemen kann die Verlustleistung der jeweiligen Wärmequelle 1, 1‘ individuell angepasst werden. Beispielsweise kann die Verlustwärme unterschiedlich großer / leistungsstarker Wärmequellen bzw. LED Matrix Module 1, 1‘ in dem Trägersystem 10 durch individuell angepasste Kühlsysteme / Kühlkörper 4, 4‘ effektiv abgeführt werden. So ist der Kühlkörper 4, welcher der Wärmequelle 1 mit einer größeren Anzahl von LEDs zugeordnet ist, größer ausgestaltet, als der andere Kühlkörper 4. Insbesondere weist der Kühlkörper 4 größere Kühlrippen auf, wodurch eine stärkere Kühlleistung erzielt werden kann.
Selbstverständlich können auch mehrere Wärmequellen 1, 1‘ / LED Matrix Module mit gleicher Anzahl von LEDs Anwendung finden, deren Verlustwärme dann über ähnlich oder gleich ausgestaltete Kühlkörper 4, 4‘ aus dem Trägersystem 10 abgeführt wird.
Das komplette System aus Wärmequellen 1, 1‘, Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘ und Kühlkörper 4, 4‘ ist auf einem gemeinsamen Träger 9 angeordnet. Der Träger 9 kann beispielsweise ein rein mechanischer Träger, zum Beispiel in Form einer Leiterplatte, oder ein weiterer, übergeordneter Kühlkörper sein. Der Träger kann ein Aluminiumgussmaterial aufweisen. Der Träger 9 dient der mechanischen Stabilisierung und/ oder der bessern Kühlung des Trägersystems 10.
Die 9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht-Trägersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Trägersystem 10 weist mehrere Wärmequellen 1, 1‘, 1‘‘ auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Wärmequellen dargestellt, jedoch kann das Trägersystem 10 auch zwei Wärmequellen, oder vier Wärmequellen oder mehr Wärmequellen aufweisen. Die jeweilige Wärmequelle 1, 1‘, 1‘‘ weist ein LED Matrix Modul auf. Alle LED Matrix Module weisen in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise die gleiche Anzahl von LEDs auf.
Die jeweilige Wärmequelle 1, 1‘, 1‘‘ ist auf einem Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘, 2‘‘ angeordnet. Dabei ist für jede Wärmequelle 1, 1‘, 1‘‘ ein separates Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘, 2‘‘ vorgesehen. Vorzugsweise befindet sich wärmeleitendes Material (Lotpaste oder Ag-Sinterpaste) zwischen der jeweiligen Wärmequelle 1, 1‘, 1‘‘ und dem jeweiligen Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘, 2‘‘ (nicht explizit dargestellt).
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2‘, 2‘‘ ist jeweils auf einem separaten Substrat 3, 3‘, 3‘‘ angeordnet, welches zum einem zur Umverdrahtung und zum anderen als Stresspuffer zur Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Vielschichtkeramiksubstrat 2 und Kühlkörper 4 dient. Ferner kann das Substrat 3, 3‘, 3‘‘ auch eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, wie bereits in Zusammenhang mit den 1 und 3 beschrieben wurde. Dies gilt insbesondere für ein keramisches Substrat, das beispielsweise AlN oder Al₂O₃ aufweist.
Das jeweilige keramischen Substrat 3, 3, 3‘‘ ist auf einem gemeinsamen Kühlkörper 4 angeordnet. Die Wärmequellen 1, 1‘, 1‘‘ besitzen also ein gemeinsames Kühlsystem. Ein gemeinsames Kühlsystem ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Wärmequellen 1, 1‘, 1‘‘ eine ähnliche Verlustwärme produzieren. Ferne kann durch ein gemeinsames Kühlsystem eine größere Anzahl von Kühlrippen bereitgestellt werden, da auch Bereiche zwischen den einzelnen LED Matrix Modulen abgedeckt werden. Die Kühlleistung kann damit gesteigert werden.
Die 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Treiberkonzept für ein Vielschicht-Trägersystem.
Zur Einzelansteuerung eines 4×8×8×LED Matrix Moduls 7 mit 256 Einzel-LEDs erfolgt eine physikalische Aufteilung des Moduls 7 in vier Quadranten 301 mit je 8×8 LEDs. Dabei umfasst die linke geschwungene Klammer 302 den LED-Bereich 1 bis 64. Die obere geschwungene Klammer 302 umfasst LEDs 65 bis 128. Die untere geschwungene Klammer 302 bezeichnet LEDs 129 bis 192. Die rechte geschwungene Klammer 32 bezeichnet LEDs 193 bis 256.
Werden einzelne LEDs der Quadranten 301 des Moduls 7 angesteuert / angeschaltet, so kommt es zu einer lokalen Temperaturerhöhung. So wird die Temperatur von Raumtemperatur (ca. 25° C) auf ca. 70° C bis 100° C erhöht. Diese Wärme muss gleichmäßig abgeführt werden. Die interne Beschaltung der LEDs muss daher so ausgestaltet sein, dass eine gleichmäßige Wärmeabfuhr sowie eine gleichmäßige Strom-Leistungsverteilung erfolgt. Insbesondere muss die Umverdrahtung über die verschiedenen Ebenen gleichmäßig ausgestaltet sein.
Zur Einzelansteuerung der 256 LEDs sind – je nach Spezifikation – mehrere Treiber erforderlich. In diesem Ausführungsbeispiel sind 32 Treiber 303 vorgesehen, wobei jeder Treiber 8 LEDs ansteuern kann.
Durch das LED Modul 7 wird eine hohe Leistung produziert. Die Treiber 303 benötigen daher eine Stromversorgung. Insgesamt werden 25,6 A für 256 LEDs benötigt (ca. 100 mA pro LED). Konverter 304 dienen der Versorgung der einzelnen Treiber 303.
Die Treiber 303 werden über einen zentralen Mikrocontroller 305 angesteuert. Der Mikrocontroller 305 ist beispielsweise mit einem Datenbus in einem KFZ verbunden. Der Mikrocontroller 305 kann zum Beispiel mit dem CAN Bus oder den ETHERNET Bus verbunden sein. Der Datenbus ist wiederum mit einer zentralen Steuereinheit verbunden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht Trägersystems 10 beispielhaft beschrieben. Alle Merkmale, die in Zusammenhang mit dem Trägersystem 10 beschrieben wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt.
In einem ersten Schritt wird das Vielschichtkeramiksubstrat 2 bereitgestellt. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 entspricht vorzugsweise dem oben beschriebenen Vielschichtkeramiksubstrat 2. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist vorzugsweise eine Varistorkeramik auf.
Zur Herstellung des Varistors mit Vielschichtstruktur werden zunächst grüne keramische Folien aus den dielektrischen keramischen Komponenten hergestellt. Die keramischen Folien können dabei beispielsweise ZnO sowie verschiedene Dotierungen aufweisen.
Ferner ist die Keramik vorzugsweise so beschaffen, dass sie bereits unter dem Schmelzpunkt des Materials der integrierten Metallstrukturen (Innenelektroden, Vias, ESD-Strukturen) mit hoher Qualität gesintert werden kann. Während des Sinterns wird daher eine Flüssigphase benötigt, die bereits bei tiefen Temperaturen existiert. Dies wird beispielsweise durch eine Flüssigphase wie Wismutoxid gewährleistet. Die Keramik kann daher auf mit Wismutoxid dotiertem Zinkoxid basieren.
Auf die Keramikfolien werden die Innenelektroden 202 aufgebracht, indem die grüne Keramik mit einer Metallisierungspaste in dem Elektrodenmuster beschichtet wird. Die Metallisierungspaste weist beispielsweise Ag und / oder Pd auf. Auf die Keramikfolien wird die ESD-Struktur 202 aufgebracht. Ferner werden Durchbrüche zur Ausbildung der Durchkontaktierungen 8, 202 in die Grünfolien eingebracht. Die Durchbrüche können mittels Stanzen oder Lasern der Grünfolien erzeugt werden. Die Durchbrüche werden anschließend mit einem Metall (vorzugsweise Ag und / oder Pd) gefüllt. Die metallisierten grünen Folien werden gestapelt.
Der Grünkörper wird anschließend gepresst und gesintert. Die Sintertemperatur wird an das Material der Innenelektroden 202 angepasst. Bei Ag-Innenelektroden beträgt die Sintertemperatur vorzugsweise weniger als 1000°C, beispielsweise 900°C.
Ein Teilbereich der Oberfläche des gesinterten Grünstapels wird anschließend metallisiert. Beispielsweise wird dabei Ag, Cu oder Pd auf die Oberseite und die Unterseite des gesinterten Grünstapels aufgedruckt. Nach dem Durchheizen des metallisierten Stapels werden nicht geschützte Strukturen bzw. Bereiche des Stapels versiegelt. Dazu wird auf die Unterseite und die Oberseite Glas oder Keramik aufgedruckt.
In einem optionalen weiteren Schritt (siehe Trägersystem gemäß 1 und 3) wird das Substrat 3 bereitgestellt. Das Substrat 3 entspricht vorzugsweise dem oben beschriebenen Substrat 3. Das Substrat 3 kann eine Keramik (Varistorkeramik, Al₂O₃, AlN) oder ein Metall (IMS Substrat, Metallkernleiterplatte) aufweisen. Leiterbahnen, beispielsweise mit oder aus Kupfer, sind vorzugsweise an einer Oberseite des Substrats 3 ausgebildet. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 wird auf der Oberseite des Substrats 3 angeordnet. Beispielsweise kann in einem vorgelagerten Schritt eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste auf die Oberseite des Substrats 3 aufgebracht werden. Mittels Reflow-Löten erfolgt die physikalische Verbindung zwischen dem Substrat 3 und dem Vielschichtkeramiksubstrat 2. Bei dem Trägersystem 10 gemäß 2, welches kein Substrat 3 aufweist, entfällt der soeben beschriebene Verfahrensschritt.
In einem optionalen weiteren Schritt (siehe Trägersystem gemäß 4) wird die Leiterplatte 5 bereitgestellt. Die Leiterplatte 5 wird um das Substrat 3 herum angeordnet. Das Substrat 3, das an dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 befestigt ist, wird in die Aussparung 5a der Leiterplatte 5 eingebracht. Anschließend werden Leiterplatte 5 und Substrat 3 miteinander über eine Steckerverbindung 26 oder einen Bonddraht 26 miteinander verbunden. Bei den Trägersystemen 10 gemäß 1 bis 3, welche keine Leiterplatte 5 aufweisen, entfällt der soeben beschriebene Verfahrensschritt.
In einem nächsten Schritt wird wenigstens ein LED Matrixmodul 7 auf der Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2 angeordnet. Beispielsweise kann in einem vorgelagerten Schritt eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste auf die Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2 aufgebracht werden. Durch Ag-Sintern (beispielsweise µAg-Sintern) oder Löten wird das Matrixmodul 7 fest mit dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 verbunden. Der Vorteil von µAg ist, dass das Silber bereits bei tiefen Temperaturen von 200° C bis 250° C schmilzt und anschließend nicht wieder aufschmilzt.
Anschließend werden Treiberbauelemente für die Treiberschaltung zur Verfügung gestellt. Je nach Ausführung des Trägersystems 10 werden die Treiberbauelement auf dem Vielschichtkeramiksubstrat 2, auf dem Substrat 3 oder auf der Leiterplatte 5 realisiert. Die Treiberschaltung wird durch Reflow-Löten mit dem Vielschichtkeramiksubstrat 2, auf dem Substrat 3 oder auf der Leiterplatte 5 verbunden.
Mittels der Treiberbauelemente werden die LEDs über die in das Vielschichtkeramiksubstrat 2 integrierte Verdrahtung einzeln angesteuert. Die Treiberschaltung ist mit den Innenelektroden 202 und den Durchkontaktierungen 8, 201 elektrisch leitend verbunden.
In einem letzten Schritt wird der Kühlkörper 4 bereitgestellt und an dem Trägersystem 10 befestigt. Der Kühlkörper 4 wird an dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 oder an dem Substrat 3 beispielsweise angeklebt. Der Kühlkörper kann ein Aluminium-Gussmaterial aufweisen. In diesem Fall wird in einem vorgelagerten Schritt eine Wärmeleitpaste auf die Unterseite des Substrats 3 oder des Vielschichtkeramiksubstrats 2 aufgebracht. Anschließend wird das Trägersystem 10 zur Verfestigung ausgebacken. Dabei treten kaum Temperaturunterschiede auf, so dass in diesem Verfahrensschritt thermische Spannungen zwischen den einzelnen Komponenten vermieden werden.
Alternativ dazu kann der Kühlkörper 4 aber auch Materialien aufweisen, die einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Substrat 3 bzw. das Vielschichtkeramiksubstrat 2 aufweisen. Beispielsweise kann der Kühlkörper 4 Aluminium-Siliziumcarbid, Kupfer-Wolfram oder Kupfer-Molybdän aufweisen. In diesem Fall kann das Aufbringen der Wärmeleitpaste 6b auch entfallen bzw. es kann eine dünnere Schicht der Wärmeleitpaste 6b aufgebracht werden.
Das entstandene Trägersystem 10 weist wenigstens ein Matrix Lichtmodul mit punktförmiger Einzelansteuerung von einer großen Anzahl von LEDs auf. Dadurch wird es ermöglicht die Umgebung deutlich differenzierter auszuleuchten (oder auch das Licht abzublenden) als bei Lösungen mit LED Array Segmenten. Der Aufbau über einen Vielschicht Varistor mit hoher thermischer Leitfähigkeit erlaubt eine sehr kompakte Ausführung, die Integration von ESD Schutzbauelementen und den Aufbau der Treiberschaltung direkt auf der Keramik. Damit ist ein kompaktes und sehr adaptives Trägersystem 10 entstanden.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen – soweit technisch sinnvoll – beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1, 1‘, 1‘‘: Wärmequelle
1a: Einzel-LED / wärmeproduzierendes Halbleiterbauelement
1b: LED-Array / wärmeproduzierendes Halbleiterbauelement
2, 2‘, 2‘‘: Vielschichtkeramiksubstrat
3, 3‘, 3‘‘: Substrat
4, 4‘‘: Kühlkörper
4a: Kühlrippen
5: Leiterplatte
5a: Aussparung
6a: Wärmeleitendes Material / Lotpaste / Sinterpaste
6b, 6b‘, 6b‘‘: Wärmeleitendes Material / Wärmeleitpaste
7: Matrixmodul
8: Durchkontaktierung / Via
9: Träger
11a: p-Anschlussbereich
11b: n-Anschlussbereich
10: Trägersystem
20: Vielschichteinzelverdrahtung
21: Kontaktbereich
22: ESD Struktur
23: Verdrahtung
24: Steckerkontakt
25: Kontakt
26: Steckerverbindung / Bonddraht
200, 200‘: Top Kontakt
201: Via / Durchkontaktierung
202: Innenelektrode / Leiterbahn
220: ESD Elektrodenfläche
221: Masse Elektrode
300: Treiberkonzept
301: Quadrant
302: Klammer
303: Treiber
304: Konverter
305: Mikrocontroller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0129079 A1 [0002]
US 2008/0151547 A1 [0002]

Claims

Vielschicht-Trägersystem (10) aufweisend – wenigstens ein Vielschichtkeramiksubstrat (2), – wenigstens ein Matrixmodul (7) von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen (1a, 1b), wobei die Halbleiterbauelemente (1a, 1b) auf dem Vielschichtkeramiksubstrat (2) angeordnet sind, – ein weiteres Substrat (3), wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) auf dem Substrat (3) angeordnet ist, wobei das Matrixmodul (7) über das Vielschichtkeramiksubstrat (2) und das weitere Substrat (3) elektrisch leitend mit einer Treiberschaltung verbunden ist.
Vielschicht-Trägersystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Treiberschaltung direkt auf einer Oberfläche des Substrats (3) aufgebaut ist.
Vielschicht-Trägersystem (10) nach Anspruch 1, aufweisend eine Leiterplatte (5), wobei die Leiterplatte (5) das Substrat (3) zumindest teilweise umgibt, und wobei die Treiberschaltung direkt auf einer Oberfläche der Leiterplatte (5) aufgebaut ist.
Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) eine integrierte Vielschichteinzelverdrahtung (20) zur Einzelansteuerung der Halbleiterbauelemente (1a, 1b) aufweist.
Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) eine Varistorkeramik aufweist.
Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) eine integrierte ESD Struktur (22) aufweist.
Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Matrixmodul (7) ein LED Matrixmodul aufweisend eine Vielzahl von Einzel-LEDS (1a) und / oder LED_Arrays (1b) aufweist.
Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Matrixmodul (7) wenigstens vier Lichtmodule (301) mit je m×n Halbleiterbauelementen (1a, 1b) aufweist, wobei m ≥ 2 und n ≥ 2.
Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (3) AlN oder AlO_x aufweist, oder wobei das Substrat (3) ein IMS Substrat, eine Metallkern-Leiterplatte oder ein weiteres Vielschichtkeramiksubstrat aufweist.
Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend einen Kühlkörper (4), wobei das Substrat (3) mit dem Kühlkörper (4) thermisch verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Trägersystems (10) aufweisend die folgenden Schritte – Bereitstellen eines Substrats (3); – Anordnen eines Vielschichtkeramiksubstrats (2) mit integrierten Leiterbahnen (202), ESD Strukturen (22) und Durchkontaktierungen (201) auf dem Substrat (3); – Anordnen wenigstens eines Matrixmoduls (7) von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen (1a, 1b) an einer Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats (2); – Verbinden der Anordnung aus Vielschichtkeramiksubstrat (2), Matrixmodul (7) und Substrat (3) durch Ag-Sintern oder Löten; – Bereitstellen von Treiberbauelementen und Anordnen der Treiberbauelemente auf dem Substrat (3) zur Ansteuerung der Halbleiterbauelemente (1a, 1b) über die Leiterbahnen (202) und Durchkontaktierungen (201); – Thermisches Verbinden des Substrats (3) mit einem Kühlkörper (4).
Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Trägersystems (10) aufweisend die folgenden Schritte – Bereitstellen eines Substrats (3); – Anordnen eines Vielschichtkeramiksubstrats (2) mit integrierten Leiterbahnen (202), ESD Strukturen (22) und Durchkontaktierungen (201) auf dem Substrat (3); – Anordnen wenigstens eines Matrixmoduls (7) von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen (1a, 1b) an einer Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats (2); – Bereitstellen einer Leiterplatte (5), wobei die Leiterplatte (5) eine Aussparung (5a) aufweist, welche die Leiterplatte (5) vollständig durchdringt; – Zumindest teilweises Einbringen des Substrats (3) in die Aussparung (5a) und elektrisch leitendes Verbinden von Leiterplatte (5) und Substrat (3); – Verbinden der Anordnung aus Vielschichtkeramiksubstrat (2), Matrixmodul (7), und Substrat (3) durch Ag-Sintern oder Löten; – Bereitstellen von Treiberbauelementen und Anordnen der Treiberbauelemente auf der Leiterplatte (5) zur Ansteuerung der Halbleiterbauelemente (1a, 1b) über die Leiterbahnen (202) und Durchkontaktierungen (201); – Thermisches Verbinden des Substrats (3) mit einem Kühlkörper (4).
Verwendung eines Vielschichtkeramiksubstrats (2) in einem Vielschicht-Trägersystem (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) einen Vielschichtvaristor aufweist.
Verwendung nach Anspruch 13, wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) eine integrierte Vielschichteinzelverdrahtung (20) zur Einzelansteuerung von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen (1a, 1b) aufweist.