DE102016220902A1

DE102016220902A1 - Power electronics carrier with heat sink and method of manufacture

Info

Publication number: DE102016220902A1
Application number: DE102016220902.7A
Authority: DE
Inventors: Erich Mattmann; Roland Brey
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-04-26

Abstract

Es wird ein Leistungselektronikträger (2) mit einer metallischen Wärmesenke (22) beschrieben. Die Leistungselektronikträger (2) umfasst eine kaltgasgespritzte Isolationsschicht (1), die direkt auf der Wärmesenke (22) aufgebracht ist. Ferner ist eine kaltgasgespritzte Leiterbahnschicht (4) aus einem Aluminiumwerkstoff vorgesehen, die direkt auf der Isolationsschicht (1) aufgebracht ist.Eine lötbare Kontaktschicht (6) ist direkt auf der kaltgasgespritzten Leiterbahnschicht (4) aufgebracht. In einer Alternative hierzu wird eine zweite Isolationsschicht aufgebracht, auf die eine zweite Leiterbahnschicht folgt, auf welche wiederum die Kontaktschicht (6) aufgebracht wird.Ferner sind entsprechende Herstellungsverfahren beschrieben.A power electronics carrier (2) with a metallic heat sink (22) is described. The power electronics carrier (2) comprises a cold gas-sprayed insulation layer (1), which is applied directly to the heat sink (22). Furthermore, a cold gas-sprayed conductor track layer (4) made of an aluminum material is provided, which is applied directly to the insulation layer (1). A solderable contact layer (6) is applied directly to the cold gas-sprayed track layer (4). In an alternative to this, a second insulation layer is applied, followed by a second conductor layer, onto which in turn the contact layer (6) is applied. Further, corresponding production methods are described.

Description

Die zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen erfordert robuste elektromechanische Lösungen zur Steuerung von hohen Strömen. Hiermit verknüpft ist die Notwendigkeit einer leistungsfähigen Wärmeabfuhr. Es besteht die Aufgabe, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich Leistungsschaltungen auf einfache Weise mit guten Wärmeabfuhreigenschaften realisieren lassen.The increasing electrification of vehicles requires robust electromechanical solutions to control high currents. Linked to this is the need for efficient heat dissipation. It is the object of demonstrating a possibility with which power circuits can be realized in a simple manner with good heat dissipation properties.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Leistungselektronikträger und die Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere Vorteile, Eigenschaften, Merkmale und Ausführungsformen ergeben sich mit den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.This object is achieved by the power electronics carrier and the method according to the independent claims. Further advantages, features, features and embodiments will become apparent from the dependent claims, the description and the figures.

Es wird vorgeschlagen, auf einer Wärmesenke direkt eine kaltgasgespritzte Isolationsschicht aufzubringen, auf welcher eine kaltgasgespritzte Leiterbahnschicht aus einem Aluminiumwerkstoff angeordnet wird. Um Bauelemente auflöten zu können, wird bzw. ist auf der Leiterbahnschicht, allgemein auf der obersten Leiterbahnschicht, eine Kontaktschicht per Kaltgasspritzen aufgebracht. Dadurch kann direkt auf der Wärmesenke bereits eine Leiterstruktur angeordnet werden, so dass die Pfade zur Wärmeabfuhr kurz sind und einen hohen Wärmeleitwert aufweisen. Indem zur Darstellung der Leiterbahnschicht (und somit der Leiterbahnstruktur, die mit der Leiterbahnschicht realisiert wird) ein Aluminiumwerkstoff verwendet wird, ergibt sich eine stabile Verbindung mit der Isolationsschicht. Es wurde erkannt, dass gerade gegenüber kaltgespritzem Kupfer ein Aluminiumwerkstoff besser an einer (kaltgasgespritzen) Isolationsschicht anhaftet als Kupfer. Dadurch ergibt sich auch eine bessere bzw. dauerhaftere thermische Verbindung mit der Wärmesenke.It is proposed to apply directly to a heat sink a cold gas-sprayed insulation layer on which a cold gas-sprayed conductor track layer of an aluminum material is arranged. In order to solder components, is or is applied to the conductor track layer, generally on the uppermost conductor track layer, a contact layer by cold gas spraying. As a result, a conductor structure can already be arranged directly on the heat sink, so that the paths for heat dissipation are short and have a high thermal conductivity. By using an aluminum material to form the conductor track layer (and thus the track structure that is realized with the track layer layer), a stable connection with the insulation layer results. It was recognized that, in contrast to cold-sprayed copper, an aluminum material better adheres to a (cold gas injected) insulation layer than copper. This also results in a better or more durable thermal connection with the heat sink.

Es wird ein Leistungselektronikträger beschrieben mit einer metallischen Wärmesenke. Die Wärmesenke kann ein Kühlkörper, ein Gehäuseteil, etwa ein Deckel, oder ein Teil einer elektrischen Maschine sein. Die Wärmesenke ist insbesondere auf einem Aluminiumwerkstoff, insbesondere spritz- oder stranggegossenes Aluminium, oder eine Aluminiumlegierung, die beispielsweise Anteile von Mn, Mg, Cu, Si, Ni, Zn und/oder Be aufweist.A power electronics carrier is described with a metallic heat sink. The heat sink may be a heat sink, a housing part, such as a lid, or a part of an electrical machine. The heat sink is in particular on an aluminum material, in particular injection-molded or continuously cast aluminum, or an aluminum alloy which has, for example, fractions of Mn, Mg, Cu, Si, Ni, Zn and / or Be.

Der Leistungselektronikträger umfasst ferner eine gespritzte Isolationsschicht. Diese ist auf der Wärmesenke aufgebracht insbesondere direkt. Die Isolationsschicht kann mittels eines thermischen Spritzverfahrens realisiert werden, insbesondere mittels Flamm-, Lichtbogen-, oder Plasmaspritzen oder mittels Kaltgasspritzen. Die Isolationsschicht ist aus einem Kunststoffwerkstoff und ist vorzugsweise aus einem Keramikwerkstoff.The power electronics carrier further comprises a sprayed insulation layer. This is applied to the heat sink in particular directly. The insulating layer can be realized by means of a thermal spraying method, in particular by means of flame, arc, or plasma spraying or by means of cold gas spraying. The insulating layer is made of a plastic material and is preferably made of a ceramic material.

Zudem umfasst der Leistungselektronikträger mindestens eine kaltgasgespritzte Leiterbahnschicht. Diese ist aus einem Aluminiumwerkstoff. Die Leiterbahnschicht ist direkt auf der Isolationsschicht aufgebracht. Die Leiterbahnschicht, welche sich direkt auf derjenigen Isolationsschicht befindet, die direkt auf der Wärmesenke aufgebracht ist, kann eine Oberfläche des Leistungselektronikträgers bilden, oder kann eine eingebettete Lage (innerhalb von Isolationsschichten) darstellen. Somit kann der Leistungselektronikträger die Leiterbahnschichten in ein- oder mehrlagiger Ausführung aufweisen.In addition, the power electronics carrier comprises at least one cold gas-sprayed conductor track layer. This is made of an aluminum material. The conductor layer is applied directly to the insulation layer. The wiring layer, which is directly on the insulation layer applied directly to the heat sink, may form a surface of the power electronics support or may be an embedded layer (within insulation layers). Thus, the power electronics carrier may have the wiring layers in single or multi-layered design.

Ferner ist eine lötbare Kontaktschicht vorgesehen. Diese ist direkt auf der kaltgasgespritzten Leiterbahnschicht aufgebracht. Die lötbare Kontaktschicht ist direkt mit der Leiterbahnschicht verbunden und bildet eine Oberfläche, auf die Bauelemente aufgelötet werden können. Da die Leiterbahnschicht aus einem Aluminiumwerkstoff besteht, wird zur Montage von Oberflächen-Bauelementen die Kontaktschicht auf die (oberste) Leiterbahnschicht aufgebracht. Die Kontaktschicht ist aus einem Material bzw. weist eine Oberflächenbeschaffenheit auf, das bzw. die die Benetzung durch flüssiges Lot ermöglicht.Furthermore, a solderable contact layer is provided. This is applied directly to the cold gas-sprayed conductor layer. The solderable contact layer is directly connected to the wiring layer and forms a surface on which components can be soldered. Since the interconnect layer consists of an aluminum material, the contact layer is applied to the (top) interconnect layer for mounting of surface components. The contact layer is made of a material or has a surface finish which allows wetting by liquid solder.

Wie erwähnt kann die Struktur einschichtig sein, d.h. es kann eine Leiterbahnschicht vorgesehen sein, die zum einen über eine Isolationsschicht direkt mit der Wärmesenke verbunden ist, und die zum anderen die Kontaktschicht trägt. Die hier beschriebene Struktur kann jedoch auch mehrschichtig sein, d.h. es kann neben der (erste) Leiterbahnschicht, die über eine Isolationsschicht direkt mit der Wärmesenke verbunden ist, eine zweite Leiterbahnschicht vorgesehen sein, die über eine zweite Isolationsschicht mit der ersten Leiterbahnschicht verbunden ist. Die zweite Leiterbahnschicht trägt die Kontaktschicht. Allgemein ist beim mehrschichtigen Aufbau eine Leiterbahnschicht vorgesehen, die über eine Isolationsschicht direkt mit der Wärmesenke verbunden ist, und es sind bzw. können ein oder mehrere weitere (in Isolationschichten eingebettete) Leiterbahnschichten vorgesehen sein. Eine oberste Leiterbahnschicht (nämlich diejenige, welche am weitesten von der Wärmesenke entfernt ist) ist nicht vollständig in Isolationsschichten eingebettet, sondern weist eine Oberfläche auf, auf der die Kontaktschicht angeordnet ist. Die Kontaktschicht bildet eine freie Oberfläche, insbesondere auf der Seite, die der Wärmesenke entgegengesetzt ist.As mentioned, the structure may be single-layered, i. It can be provided a conductor track layer, which is connected on the one hand via an insulating layer directly to the heat sink, and on the other carries the contact layer. However, the structure described herein may also be multilayered, i. In addition to the (first) conductor track layer, which is connected directly to the heat sink via an insulation layer, a second conductor track layer may be provided, which is connected to the first conductor track layer via a second insulation layer. The second conductor layer carries the contact layer. Generally, in the multilayer structure, a wiring layer is provided which is directly connected to the heat sink via an insulation layer, and one or more other wiring layers embedded in insulation layers may be provided. An uppermost wiring layer (namely, the farthest from the heat sink) is not completely embedded in insulation layers, but has a surface on which the contact layer is disposed. The contact layer forms a free surface, especially on the side opposite the heat sink.

Es wird daher (als mehrlagige Variante) ein Leistungselektronikträger mit einer metallischen Wärmesenke beschrieben. Der Leistungselektronikträger umfasst ferner eine erste kaltgasgespritzte Isolationsschicht, die direkt auf der Wärmesenke (22) aufgebracht ist. Diese Isolationsschicht ist wie die vorangehend genannte Isolationsschicht ausgebildet.It is therefore described (as a multi-layer variant) a power electronics carrier with a metallic heat sink. The power electronics carrier further comprises a first cold gas-sprayed insulation layer, which is applied directly to the heat sink (22). This insulating layer is formed like the above-mentioned insulating layer.

Ferner umfasst der Leistungselektronikträger eine erste kaltgasgespritzte Leiterbahnschicht. Diese ist aus einem Aluminiumwerkstoff geschaffen. Die erste Leiterbahnschicht ist auf der ersten Isolationsschicht aufgebracht. Furthermore, the power electronics carrier comprises a first cold gas-sprayed conductor track layer. This is made of an aluminum material. The first wiring layer is applied on the first insulation layer.

Der Leistungselektronikträger weist zudem eine zweite kaltgasgespritzte Isolationsschicht auf. Diese ist teilweise auf der ersten Isolationsschicht direkt aufgebracht. Dies ist insbesondere an den Stellen der Fall, an denen die (erste) Leiterbahnschicht eine Ausnehmung aufweist, d.h. an denen die (erste) Leiterbahnschicht keine Leiterbahn ausbildet. Ferner ist die zweite kaltgasgespritzte Isolationsschicht teilweise auf zumindest Abschnitten der ersten Leiterbahnschicht direkt aufgebracht. Dies ist insbesondere an den Stellen der Fall, an denen die (erste) Leiterbahnschicht keine Ausnehmung aufweist, d.h. an denen die (erste) Leiterbahnschicht eine Leiterbahn ausbildet. Die Isolationsschicht erstreckt sich über Ausnehmungen der (ersten) Leiterbahnschicht. Die Isolationsschicht kann sich über die erste Leiterbahnschicht erstrecken, insbesondere nur teilweise, etwa um (nur) einen Randbereich der ersten Leiterbahnschicht zu überdecken. Die zweite Isolationsschicht kann nicht vollständig durchgängig sein und insbesondere Ausnehmungen aufweisen. Durch diese hindurch kann sich eine zweite Leiterbahnschicht bzw. können sich Abschnitte hiervon erstrecken.The power electronics carrier also has a second cold gas-sprayed insulation layer. This is partially applied directly to the first insulation layer. This is especially the case where the (first) wiring layer has a recess, i. where the (first) wiring layer does not form a track. Furthermore, the second cold gas-sprayed insulation layer is partially applied directly to at least portions of the first conductor layer. This is especially the case where the (first) wiring layer has no recess, i. at which the (first) conductor track layer forms a conductor track. The insulating layer extends over recesses of the (first) conductor track layer. The insulating layer may extend over the first interconnect layer, in particular only partially, for example to cover (only) an edge region of the first interconnect layer. The second insulation layer may not be completely continuous and in particular have recesses. Through this, a second interconnect layer or sections thereof can extend.

Der Leistungselektronikträger kann daher mindestens eine zweite kaltgasgespritzte Leiterbahnschicht aufweisen. Diese ist ebenso aus einem Aluminiumwerkstoff geschaffen. Die zweite Leiterbahnschicht bzw. zumindest ein Abschnitt hiervon ist direkt auf der zweiten Isolationsschicht aufgebracht (etwa an den Abschnitten, an denen die zweite Isolationsschicht keine Ausnehmung aufweist). Ferner ist die zweite Leiterbahnschicht bzw. zumindest ein (anderer) Abschnitt hiervon direkt auf der ersten kaltgasgespritzte Leiterbahnschicht aufgebracht. Dies ist der Fall an Stellen, an denen die zweite Isolationsschicht eine Ausnehmung aufweist.The power electronics carrier can therefore have at least one second cold gas-sprayed conductor track layer. This is also created from an aluminum material. The second interconnect layer or at least a portion thereof is applied directly on the second insulating layer (approximately at the portions where the second insulating layer has no recess). Further, the second wiring layer or at least one (other) portion thereof is applied directly to the first cold gas-sprayed wiring layer. This is the case at locations where the second insulation layer has a recess.

Der Leistungselektronikträger weist eine lötbare Kontaktschicht auf. Diese kann ausgestaltet sein wie die vorangehend erwähnte Kontaktschicht. Die Kontaktschicht (des mehrschichtigen Leistungselektronikträger) ist direkt auf der zweiten kaltgasgespritzten Leiterbahnschicht aufgebracht.The power electronics carrier has a solderable contact layer. This can be configured as the contact layer mentioned above. The contact layer (of the multilayer power electronics carrier) is applied directly to the second cold gas-sprayed conductor track layer.

Als Ausnehmung werden vollständig durchgehende Ausnehmungen bezeichnet, insbesondere Ausnehmungen, die sich durch die gesamte Dicke der betreffenden Schicht erstrecken. Mit einer direkten Verbindung bzw. mit einem direkten Aufbringen einer ersten Schicht auf eine zweite Schicht wird beschrieben, dass die erste Schicht flächig direkt an die zweite Schicht angrenzt bzw. ohne Zwischenlage auf dieser aufliegt. Mit einer direkten Verbindung bzw. mit einem direkten Aufbringen einer ersten Schicht auf eine zweite Schicht wird insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung zwischen diesen beiden Schichten beschrieben, beispielsweise eine Verbindung, die sich durch Aufspritzen auf eine unbedeckte Oberfläche bzw. Schicht ergibt. Dies gilt für alle hier beschriebenen Schichten.As a recess completely continuous recesses are referred to, in particular recesses which extend through the entire thickness of the respective layer. With a direct connection or with a direct application of a first layer to a second layer, it is described that the first layer flatly adjoins the second layer directly or rests on it without an intermediate layer. With a direct connection or with a direct application of a first layer to a second layer, in particular a cohesive connection between these two layers is described, for example a compound which results from spraying onto an uncovered surface or layer. This applies to all layers described here.

Die Isolationsschicht weist vorzugsweise eine Dicke auf, die geringer als 0,2 mm oder insbesondere geringer als 0,15 mm ist. Dadurch lässt sich ein geringer Wärmewiderstand realisieren, wobei gleichzeitig eine elektrische Isolation gegenüber der Wärmesenke erreicht wird. Die Angabe der Dicke betrifft insbesondere diejenige Isolationsschicht, welche direkt auf der Wärmesenke angeordnet ist. Im Falle einer einlagigen Struktur ist dies die (einzige) Isolationsschicht. Im Falle einer mehrlagigen Struktur betrifft dies die erste Isolationsschicht, über der sich eine zweite Isolationsschicht befinden kann.The insulating layer preferably has a thickness which is less than 0.2 mm or in particular less than 0.15 mm. As a result, a low thermal resistance can be realized, wherein at the same time an electrical insulation with respect to the heat sink is achieved. Specifying the thickness relates in particular to that insulating layer which is arranged directly on the heat sink. In the case of a single-layered structure this is the (only) insulation layer. In the case of a multi-layered structure this relates to the first insulating layer over which a second insulating layer can be located.

Die Wärmesenke kann aus einem Aluminiumwerkstoff geschaffen sein, insbesondere ein wie hier beschriebener Aluminiumwerkstoff. Die Wärmesenke ist vorzugsweise ein Spritzgussstück. Die Wärmesenke kann die Funktion einer Senke und/oder eines Leiters für Wärme haben. Bei der Verwendung eines Aluminiumwerkstoffs für die Wärmesenke ergibt sich eine stabile Verbindung zwischen der Wärmesenke und der darauf (direkt) aufspritzten Isolationsschicht.The heat sink may be made of an aluminum material, in particular an aluminum material as described herein. The heat sink is preferably an injection molded piece. The heat sink may function as a sink and / or a conductor of heat. When using an aluminum material for the heat sink results in a stable connection between the heat sink and the (directly) aufspritzten insulation layer.

Die eine Kontaktschicht ist eine Schicht eines Kupfer- oder Nickelmaterial. Die Kontaktschicht ist insbesondere eine kaltgasgespritzte Schicht bzw. allgemein eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte Schicht. Die Kontaktschicht kann ferner aufgedampft oder aufgalvanisiert sein. Es können allgemein lotvermittelnde Materialien zum Aufbau der Kontaktschicht verwendet werden. Die Kontaktschicht überdeckt nur Abschnitte der darunterliegenden Leiterbahnschicht, insbesondere nur die Abschnitte, die zur Montage eines (SMT-)Bauelements vorgesehen sind bzw. die zur elektromechanischen Anbindung vorgesehen sind. Die Kontaktschicht kann somit nur an Stellen ausgebildet sein, an denen ein Kontaktpad vorgesehen ist. Die Kontaktschicht weist vorzugsweise eine Dicke auf, die geringer als 0,1 mm oder geringer als 0,05 mm oder vorzugsweise geringer als 0,02 mm ist.The one contact layer is a layer of a copper or nickel material. The contact layer is in particular a cold gas-sprayed layer or generally a layer applied by thermal spraying. The contact layer can also be vapor-deposited or galvanized. In general, solder-promoting materials can be used to build up the contact layer. The contact layer covers only portions of the underlying conductor track layer, in particular only the sections which are provided for mounting a (SMT) component or which are provided for the electromechanical connection. The contact layer can thus be formed only at locations where a contact pad is provided. The contact layer preferably has a thickness that is less than 0.1 mm or less than 0.05 mm, or preferably less than 0.02 mm.

Im Weiteren ist ein Verfahren zur Herstellung eines Leistungselektronikträgers beschrieben, insbesondere eines ein- oder mehrlagigen Leistungselektronikträgers. Der Leistungselektronikträgers weist eine metallische Wärmesenke auf. Es wird eine (erste) Isolationsschicht auf die Wärmesenke aufgespritzt, vorzugsweise durch Kaltgasspritzen oder Flammspritzen. Diese Isolationsschicht wird als eine durchgängige Schicht auf die Wärmesenke aufgetragen. Die Isolationsschicht wird durch Aufspritzen eines Keramik- oder Kunststoffmaterials erzeugt.In addition, a method for producing a power electronics carrier is described, in particular a single or multi-layer power electronics carrier. The power electronics carrier has a metallic heat sink. A (first) insulation layer is sprayed onto the heat sink, preferably by cold gas spraying or flame spraying. This insulation layer is applied as a continuous layer on the heat sink applied. The insulating layer is produced by spraying a ceramic or plastic material.

Es wird daraufhin eine (erste) Leiterbahnschicht auf die Isolationsschicht aufgespritzt, insbesondere durch Kaltgasspritzen. Diese Leiterbahnschicht wird mit (durchgehenden) Ausnehmungen aufgetragen, d.h. die Leiterbahnschicht wird strukturiert auf die Isolationsschicht aufgetragen. Die Leiterbahnschicht überdeckt nur Abschnitte der Isolationsschicht.Thereupon, a (first) conductor track layer is sprayed onto the insulation layer, in particular by cold gas spraying. This wiring layer is applied with (continuous) recesses, i. the conductor track layer is applied in a structured manner to the insulation layer. The conductor layer covers only portions of the insulation layer.

Ferner wird eine lötbare Kontaktschicht aufgespritzt, insbesondere durch kaltgasspritzen. Diese wird auf die oberste Leiterbahnschicht aufgetragen. Im einschichtigen Fall ist dies die vorangehend genannte (erste) Leiterbahnschicht. Die lötbare Kontaktschicht wird direkt auf die Leiterbahnschicht aufgespritzt.Furthermore, a solderable contact layer is sprayed on, in particular by cold gas spraying. This is applied to the top conductor layer. In the single-layer case, this is the above-mentioned (first) wiring layer. The solderable contact layer is sprayed directly onto the conductor track layer.

Im Falle einer mehrlagigen Struktur wird auf die (erste) Leiterbahnschicht eine zweite Isolationsschicht gespritzt, insbesondere direkt. Die zweite Isolationsschicht wird durch Kaltgasspritzen oder allgemein durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht. Auch die zweite Isolationsschicht ist (vergleichbar mit der Leiterbahnschicht) nicht durchgängig und kann Ausnehmungen aufweisen, insbesondere an den Stellen, an denen eine direkte (stoffschlüssige) Verbindung zu einer weiteren, zweiten Leiterbahnschicht gewünscht ist.In the case of a multilayer structure, a second insulation layer is injected onto the (first) conductor track layer, in particular directly. The second insulating layer is applied by cold gas spraying or generally by a thermal spraying process. Also, the second insulating layer is not continuous (comparable to the conductor layer) and may have recesses, in particular at the points where a direct (cohesive) connection to a further, second interconnect layer is desired.

Auf die zweite Isolationsschicht wird eine zweite Leiterbahnschicht gespritzt, insbesondere durch Kaltgasspritzen. Die zweite Leiterbahnschicht ist ebenso nicht durchgängig, sondern bildet Leiterbahnen aus (wie die erste Leiterbahnschicht).On the second insulation layer, a second conductor layer is injected, in particular by cold gas spraying. The second interconnect layer is also not continuous, but forms traces (as the first interconnect layer).

Auf die zweite Leiterbahnschicht wird eine lötbare Kontaktschicht aufgespritzt, insbesondere durch Kaltgasspritzen. Die Kontaktschicht wird als nicht durchgängige Schicht aufgebracht. Die Kontaktschicht wird nur an Abschnitten der zweiten Leiterbahnschicht aufgebracht, insbesondere nur an Stellen, an denen ein Kontaktpad gewünscht ist.On the second conductor layer, a solderable contact layer is sprayed, in particular by cold gas spraying. The contact layer is applied as a non-continuous layer. The contact layer is applied only to portions of the second conductor layer, in particular only at locations where a contact pad is desired.

Es kann eine Leistungsschaltung erzeugt werden, indem ein Leistungselektronikträger wie hier beschrieben hergestellt wird, wobei in einem weiteren Schritt dieser mit Bauelementen bestückt wird. Hierzu wird Lotpaste auf die Kontaktschicht aufgebracht, die Bauelemente werden auf die Lotpaste positioniert und die Lotpaste wird aufgeschmolzen, um nach einer folgenden Abkühlphase eine Lotverbindung zwischen den Bauelementen (bzw. deren Kontaktflächen) und der Kontaktschicht herzustellen.A power circuit can be created by making a power electronics carrier as described herein, in a further step, mounting it with components. For this purpose, solder paste is applied to the contact layer, the components are positioned on the solder paste and the solder paste is melted to make a solder connection between the components (or their contact surfaces) and the contact layer after a subsequent cooling phase.

Bei der Herstellung des Leistungselektronikträgers kann die Leiterbahnschicht und/oder die Kontaktschicht (6) strukturiert aufgetragen werden, indem der betreffende Werkstoff durch eine aufgelegte Maske hindurch kaltgasgespritzt wird. Dies gilt insbesondere für die erste und die zweite Leiterbahnschicht oder nur für eine der beiden. Zudem kann auch eine Maske verwendet werden bei Auftragen der zweiten Isolationsschicht, wobei ein Isolationswerkstoff (Keramik oder Kunststoff) durch die Maske hindurch auf die erste Leiterbahnschicht bzw. auf Abschnitte der ersten Kontaktschicht aufgebracht wird.

Die 1 dient zur Erläuterung einer einlagigen Struktur eines Leistungselektronikträgers.
Die 2 dient zur Erläuterung einer mehrlagigen Struktur eines Leistungselektronikträgers.

In the production of the power electronics carrier, the conductor track layer and / or the contact layer (6) can be applied in a structured manner by cold-spraying the relevant material through an applied mask. This applies in particular to the first and the second conductor layer or only to one of the two. In addition, a mask can also be used when the second insulation layer is applied, wherein an insulating material (ceramic or plastic) is applied through the mask to the first conductor layer or to portions of the first contact layer.

The 1 serves to explain a single-layer structure of a power electronics carrier.
The 2 serves to explain a multilayer structure of a power electronics carrier.

Die 1 zeigt einen Leistungselektronikträger 2 mit einer metallischen Wärmesenke 22. Auf dieser ist eine gespritzte Isolationsschicht 1 direkt aufgebracht. Die Isolationsschicht 1 ist durchgehend und deckt insbesondere eine Seite der Wärmesenke 22 vollständig ab.The 1 shows a power electronics carrier 2 with a metallic heat sink 22 , On this is a sprayed insulation layer 1 applied directly. The insulation layer 1 is continuous and in particular covers one side of the heat sink 22 completely off.

Auf der Isolationsschicht 1 ist eine Leiterbahnstruktur in Form einer kaltgasgespritzten Leiterbahnschicht 4 vorgesehen. Die Leiterbahnschicht 4 ist direkt auf der Isolationsschicht 1 aufgebracht und ist aus einem Aluminiumwerkstoff. Die Leiterbahnschicht 4 deckt (gemäß der gebildeten Leiterbahnstruktur) nur Abschnitte der Isolationsschicht 1 ab; mit anderen Worten wird die Isolationsschicht 1 nur teilweise von der Leiterbahnschicht 4 abgedeckt. Es wird eine Maske verwendet, um die Struktur der Leiterbahnschicht 4 zu erzeugen, wobei die Maske auf die Isolationsschicht 1 aufgelegt wird, bevor die Leiterbahnschicht 4 erzeugt wird. Die Leiterbahnschicht 4 wird erzeugt, indem durch die aufgelegte Maske hindurch durch Kaltgasspritzen ein Aluminiumwerkstoff auf die nicht durch die Maske abgedeckten Abschnitte der Isolationsschicht 1 aufgespritzt wird.On the insulation layer 1 is a conductor track structure in the form of a cold gas-sprayed conductor track layer 4 intended. The conductor layer 4 is directly on the insulation layer 1 applied and is made of an aluminum material. The conductor layer 4 covers (according to the formed track structure) only portions of the insulation layer 1 from; in other words, the insulation layer 1 only partially from the wiring layer 4 covered. A mask is used to structure the wiring layer 4 to generate, with the mask on the insulation layer 1 is applied before the wiring layer 4 is produced. The conductor layer 4 is produced by passing through the overlaid mask by cold gas spraying an aluminum material on the not covered by the mask portions of the insulating layer 1 is sprayed on.

Eine lötbare Kontaktschicht 6 ist direkt auf der kaltgasgespritzten Leiterbahnschicht vorgesehen. Auch die lötbare Kontaktschicht 6 wird erzeugt, indem durch eine Maske, die auf der Leiterbahnschicht 4 aufliegt, ein Kupfer- oder Nickelwerkstoff auf die Leiterbahnschicht 4 aufgebracht wird.A solderable contact layer 6 is provided directly on the cold gas-sprayed conductor layer. Also the solderable contact layer 6 is generated by passing through a mask on the wiring layer 4 rests, a copper or nickel material on the conductor track layer 4 is applied.

Ein Leistungselektronikträger 12 mit mehreren Leiterbahnschichten ist in 2 dargestellt. Die gleichen Elemente (bezogen auf 1) weisen zur besseren Übersicht die gleichen Bezugszeichen auf.A power electronics carrier 12 with multiple conductor layers is in 2 shown. The same elements (related to 1 ) have the same reference numerals for a better overview.

Der Leistungselektronikträger 12 der 2 Leistungselektronikträger 2 mit einer metallischen Wärmesenke 22. Auf dieser ist eine gespritzte Isolationsschicht 1 direkt aufgebracht. Die Isolationsschicht 1 ist durchgehend und deckt insbesondere eine Seite der Wärmesenke 22 vollständig ab.The power electronics carrier 12 of the 2 Power electronics carrier 2 with a metallic heat sink 22 , On this is a sprayed insulation layer 1 applied directly. The insulation layer 1 is continuous and in particular covers one side of the heat sink 22 completely off.

Es ergibt sich mit der Isolationsschicht 1, der Wärmesenke 22 und der Leiterbahnschicht 4 (bis auf die Kontaktschicht 6 der 1) die gleiche Struktur wie in 1.It results with the insulation layer 1 , the heat sink 22 and the wiring layer 4 (except for the contact layer 6 of the 1 ) the same structure as in 1 ,

Es sind jedoch in der 2 noch eine weitere Isolationsschicht 11 und eine weitere Leiterbahnschicht 4', 4" vorgesehen. Die auch in 1 dargestellte Isolationsschicht 1 wird als erste Isolationsschicht 1 bezeichnet. Die auch in 1 dargestellte Leiterbahnschicht 4 wird als erste Leiterbahnschicht 4 bezeichnet. Die weitere, d.h. zweite Isolationsschicht 11 bedeckt Abschnitte der ersten Isolationsschicht, nämlich die Abschnitte, die nicht von der ersten Leiterbahnschicht 4 abgedeckt sind. Die zweite Isolationsschicht bedeckt zudem Abschnitte der ersten Leiterbahnschicht 4 vollständig, etwa an den Stellen, an denen Abschnitte einer zweiten Leiterbahnschicht 4" vorgesehen sind, und bedeckt Abschnitte der ersten Leiterbahnschicht 4 nur teilweise, etwa an den Stellen, an denen weitere Abschnitte einer zweiten Leiterbahnschicht 4' vorgesehen sind.However, it is in the 2 yet another insulation layer 11 and another wiring layer 4 ', 4 ".The also in 1 illustrated insulation layer 1 is considered the first insulation layer 1 designated. The also in 1 illustrated interconnect layer 4 is used as the first interconnect layer 4 designated. The further, ie second insulation layer 11 covers portions of the first insulating layer, namely the portions that are not from the first conductor layer 4 are covered. The second insulation layer also covers portions of the first wiring layer 4 completely, approximately at the places where sections of a second conductor layer 4 ' are provided, and covers portions of the first wiring layer 4 only partially, for example at the locations where further sections of a second conductor track layer 4 ' are provided.

Eine zweite Leiterbahnschicht 4', 4" ist vorgesehen, die wie die erste Leiterbahnschicht 4 strukturiert ist und Ausnehmungen aufweist, um eine Leiterbahnstruktur auszubilden.A second interconnect layer 4 ' . 4 ' is provided, which like the first interconnect layer 4 is structured and has recesses to form a conductor track structure.

Ein Abschnitt der zweiten Leiterbahnschicht 4' erstreckt sich bis zur ersten Leiterbahnschicht 4. Es ergibt sich eine stoffschlüssige Verbindung, zumal die zweite Leiterbahnschicht 4' direkt auf die erste Leiterbahnschicht 4 aufgesprüht wurde. Die erste Leiterbahnschicht 4 ist an den Stellen, an denen die zweite Leiterbahnschicht 4' diese direkt kontaktiert, breiter als die direkte Kontaktstelle. Die erste Leiterbahnschicht 4 weist Hinterschneidungen auf, die von der zweiten Isolationsschicht 11 abgedeckt sind.A section of the second interconnect layer 4 ' extends to the first interconnect layer 4 , This results in a cohesive connection, especially the second conductor layer 4 ' directly on the first interconnect layer 4 was sprayed on. The first interconnect layer 4 is in the places where the second conductor layer 4 ' contacted directly, wider than the direct contact point. The first interconnect layer 4 has undercuts that from the second insulation layer 11 are covered.

Ein anderer Abschnitt der zweiten Leiterbahnschicht 4" erstreckt sich über der ersten Leiterbahnschicht 4 und ist durch einen Teil der zweiten Isolationsschicht 11 von dieser getrennt. Es ergibt sich eine elektrische Trennung der ersten Leiterbahnschicht 4 und der zweiten Leiterbahnschicht 4" an dieser Stelle durch die zweite Isolationsschicht. Die zweite Isolationsschicht 11 ist dicker als die erste Leiterbahnschicht 4. Die zweite Isolationsschicht 11 schließt eben ab. Abschnitte der zweiten Leiterbahnschicht sind in den Isolationsschichten 1, 11 vollständig eingebettet. Die zweite Isolationsschicht 11 umgreift Leiterbahnstrukturen der zweiten Leiterbahnschicht 4" an drei von vier Seiten. Die erste Isolationsschicht 1 berührt die Leiterbahnstrukturen der zweiten Leiterbahnschicht 4"an der vierten Seite.Another section of the second interconnect layer 4 ' extends over the first wiring layer 4 and is through part of the second insulation layer 11 separated from this. This results in an electrical separation of the first interconnect layer 4 and the second wiring layer 4 ' at this point through the second insulation layer. The second insulation layer 11 is thicker than the first interconnect layer 4 , The second insulation layer 11 just complete. Portions of the second wiring layer are in the insulation layers 1 . 11 completely embedded. The second insulation layer 11 encompasses interconnect structures of the second interconnect layer 4 ' on three out of four pages. The first insulation layer 1 touches the interconnect structures of the second interconnect layer 4 ' on the fourth page.

Eine lötbare Kontaktschicht 6 ist direkt auf der zweiten Leiterbahnschicht 4', 4" vorgesehen.A solderable contact layer 6 is directly on the second interconnect layer 4 ' . 4 ' intended.

Die lötbare Kontaktschicht 6 sowie die mit den Bezugszeichen 4, 11, sowie 4' und 4" werden jeweils erzeugt, indem durch eine Maske, die auf der betreffenden, darunterliegenden Schicht aufliegt, ein entsprechender Werkstoff durch Spritzen aufgebracht wird.The solderable contact layer 6 as well as with the reference numerals 4 . 11 , such as 4 ' and 4 ' are each generated by a corresponding material is applied by spraying through a mask, which rests on the relevant underlying layer.

Claims

Power electronics carrier (2) with a metallic heat sink (22), wherein the power electronics carrier (2) further comprises: a sprayed insulation layer (1) applied directly to the heat sink (22); - A cold gas-sprayed conductor track layer (4) made of an aluminum material, which is applied directly to the insulating layer (1) and - A solderable contact layer (6), which is applied directly to the cold gas-sprayed conductor layer (4).

Power electronics carrier (2) with a metallic heat sink (22), wherein the power electronics carrier (2) further comprises: - A first injection-molded insulating layer (1), which is applied directly to the heat sink (22); - A first cold gas-sprayed conductor track layer (4) made of an aluminum material, which is applied to the first insulating layer (1); - A second injection-molded insulation layer (11) which is partially applied directly on the first insulating layer (1) and partially applied directly on at least portions of the first conductor layer (4); - At least a second cold gas-sprayed conductor track layer (4 ', 4 ") of an aluminum material, which is applied directly to the second insulating layer (11) and / or directly on the first cold gas-sprayed conductor layer (4) and - A solderable contact layer (6), which is applied directly to the second cold gas-sprayed conductor layer (4 ', 4 ").

Power electronics carrier (2) after Claim 1 wherein the insulating layer (1) has a thickness that is less than 0.2 mm or less than 0.15 mm.

Power electronics carrier (2) after Claim 2 wherein the first insulating layer (1) has a thickness that is less than 0.2 mm or less than 0.15 mm.

Power electronics carrier (2) according to one of the preceding claims, wherein the heat sink is made of an aluminum material.

Power electronics carrier (2) according to one of the preceding claims, wherein the contact layer is a cold gas-sprayed layer of a copper or nickel material.

The power electronics carrier (2) of any one of the preceding claims, wherein the contact layer has a thickness that is less than 0.1 mm or less than 0.05 mm or less than 0.02 mm.

A method of making a power electronics carrier (2) having a metallic heat sink (22), the method comprising: - Spraying a first insulating layer (1) on the heat sink (22); - Cold gas spraying a first conductor layer (4) made of an aluminum material on the insulating layer (1); and - Cold gas spraying a solderable contact layer (6).

Method according to Claim 8 in which the solderable contact layer is cold-sprayed directly onto the conductor track layer (4) or onto which a second insulation layer (11) is sprayed onto the first conductor track layer (4) and a second conductor track layer (4 ', 4 ") cold-gas-injected onto the second insulation layer (11) with the solderable contact layer being cold gas injected onto the second wiring layer (4 ', 4 ").

Method according to Claim 8 or 9 in which the conductor track layer (4; 4 ', 4 ") and the contact layer (6) are applied in a structured manner by cold-spraying the relevant material through an applied mask.