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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger. Der Schaltungsträger weist wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht und wenigstens eine insbesondere keramisch ausgebildete elektrisch isolierende Schicht auf. Der Schaltungsträger weist auch eine Wärmesenke auf und ist mit der Wärmesenke thermisch leitfähig verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Wärmesenke ist bevorzugt mittels wenigstens einer Harzschicht, insbesondere Epoxidharzschicht, mit dem Schaltungsträger verbunden, insbesondere klebeverbunden. Die Wärmesenke kann so besonders aufwandsgünstig mit dem Schaltungsträger verbunden werden. Der Schaltungsträger oder die Wärmesenke kann dazu beispielsweise mittels eines flüssigen Harzes beschichtet werden und die Wärmesenke oder der Schaltungsträger kann in die noch nicht ausgehärtete, flüssige Harzschicht eingelegt werden. Die Harzschicht kann daraufhin ausgehärtet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine Harzschicht den Schaltungsträger kontaktierend mit dem Schaltungsträger verbunden, wobei die Wärmesenke mittels wenigstens einer weiteren Harzschicht mit der den Schaltungsträger kontaktierenden Harzschicht verbunden, insbesondere klebeverbunden ist. Auf diese Weise kann die Wärmesenke, beispielsweise eine Metallschicht oder ein Metallblock, von dem Schaltungsträger elektrisch isoliert sein, insoweit die mit dem Schaltungsträger verbundene Harzschicht zwischen der Wärmesenke und dem Schaltungsträger bereits eine Isolierschicht mit einer hinreichenden Durchschlagfestigkeit bilden kann.
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Die Harzschicht, insbesondere die mit dem Schaltungsträger verbundene Harzschicht, weist beispielsweise eine Dicke zwischen 40 Mikrometer und 400 Mikrometer auf. Die Harzschicht, welche die Wärmesenke mit der mit dem Schaltungsträger verbundenen Harzschicht verbindet, weist bevorzugt eine Schichtdicke zwischen 20 und 100 Mikrometer, bevorzugt 40 Mikrometer auf.
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Die Harzschichten sind bevorzugt mittels eines Siebdruckverfahrens auf den Schaltungsträger aufgebracht. Dadurch kann der Schaltungsträger besonders exakt und passgenau mit der Wärmesenke wärmeleitfähig verbunden werden. Die Harzschicht kann weiter bevorzugt eine gleichmäßige Dickenerstreckung aufweisen und nur an den Stellen den Schaltungsträger benetzen, an denen die Wärmesenke dem Schaltungsträger gegenüberliegt und mit dem Schaltungsträger wärmeleitfähig verbunden ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens eine der Harzschichten oder beide Harzschichten wärmeleitfähige Füllpartikel auf. Die Füllpartikel sind beispielsweise Keramikpartikel, insbesondere Metalloxidpartikel, beispielsweise Aluminiumoxidpartikel, Silizidpartikel, beispielsweise Borsilizidpartikel oder Karbidpartikel, beispielsweise Siliziumkarbidpartikel. Die Füllpartikel sind in einer anderen Ausführungsform Glaspartikel oder Kohlenstoffpartikel, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren.
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Die Füllpartikel, insbesondere die Keramischen Füllpartikel oder Glaspartikel weisen beispielsweise jeweils einen Durchmesser zwischen zwei und 40 Mikrometer, bevorzugt zwischen fünf und zehn Mikrometern auf.
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Die Wärmesenke ist beispielsweise durch eine Metallschicht oder einen Metallblock gebildet. Das Metall der Metallschicht oder des Metallblocks ist beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Die Wärmesenke ist beispielsweise ein Kühlkörper, der Kühlrippen aufweist oder ein Kühlkörper in dem Fluidkanäle ausgebildet sind. Die Wärmesenke kann als weiteren Bestandteil einen Kühlkörper aufweisen und mit diesem - insbesondere stoffschlüssig - wärmeleitfähig verbunden, beispielsweise mittels eines Lotmittels lotverbunden sein.
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Der Schaltungsträger ist beispielsweise eine insbesondere faserverstärkte Leiterplatte, oder ein keramischer Schaltungsträger. Die faserverstärkte Leiterplatte ist beispielsweise eine glasfaser- oder glasgewebeverstärkte Epoxidharzleiterplatte, insbesondere das Material FR4 aufweisend. Der keramische Schaltungsträger ist bevorzugt ein DBC-Substrat (DBC = Direct-Bonded-Copper), AMB-Substrat (AMB = Active-Metal-Brazed), IMS-Substrat (IMS = Insulated-Metal-Substrate), LTCC-Substrat (LTCC = Low-Temperature-Cofired-Ceramics) oder ein HTCC-Substrat (HTCC = High-Temperature-Cofired-Ceramics).
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verbinden einer Wärmesenke mit einem insbesondere keramisch ausgebildeten Schaltungsträger.
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Bei dem Verfahren wird in einem Verfahrensschritt auf eine flache Seite des Schaltungsträgers oder die Wärmesenke eine Harzschicht aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird die Harzschicht mittels elektromagnetischen Strahlen, insbesondere Ultraviolettstrahlen oder Infrarotstrahlen, beispielsweise in einem Ofen, ausgehärtet. In einem weiteren Schritt wird eine weitere Harzschicht auf die ausgehärtete Harzschicht aufgebracht. In die noch nicht ausgehärtete Harzschicht wird in einem weiteren Schritt eine Wärmesenke, insbesondere ein Metallkörper oder eine Metallschicht, eingelegt, oder im Falle der Beschichtung der Wärmesenke, der Schaltungsträger eingelegt. In einem weiteren Schritt wird die Harzschicht, in die die Wärmesenke eingelegt wurde, ausgehärtet, sodass die Wärmesenke mit der Harzschicht verbunden, insbesondere klebeverbunden, ist. Die Klebeverbindung ist beispielsweise eine Adhäsionsverbindung oder eine stoffschlüssige Verbindung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Harzschichten jeweils mittels Siebdruck oder Schablonendruck aufgebracht, insbesondere aufgerakelt. So kann die Harzschicht vorteilhaft genau an den Stellen auf den Schaltungsträger aufgebracht werden, welcher durch die Wärmesenke kontaktiert wird. Vorteilhaft kann so eine gleichmäßige, insbesondere minimale Schichtdicke erzeugt werden. Der Schaltungsträger kann so vorteilhaft nur teilweise durch die Wärmesenke kontaktiert werden. Vorteilhaft können in der Wärmesenke beispielsweise Durchbrüche oder Aussparungen gebildet sein, wobei der Schaltungsträger im Bereich der Durchbrüche oder Aussparungen keine Harzschicht aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in den Harzschichten eine Aussparung gebildet, wobei in die Aussparung Lotmittel eingebracht wird. Der Schaltungsträger kann so beispielsweise an der Lotmittelstelle mittels eines Via kontaktiert werden, wobei das Via beispielsweise durch den Schaltungsträger hindurch im Schaltungsträger erzeugt werden kann. Die Wärmesenke kann beispielsweise in einem weiteren Verfahrensschritt - insbesondere in einem Reflow-Lötofen - mit der Lotmittelschicht verlötet werden, sodass die Wärmesenke mit dem Schaltungsträger so - insbesondere nur an der Stelle der Lotmittelschicht - verbunden sein kann. Der übrige Bereich des Schaltungsträgers ist durch die Harzschichten von der Wärmesenke elektrisch isoliert und wärmeleitfähig verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt ein Aushärten der wenigstens einen Harzschicht in einem Vakuum, sodass die Harzschicht blasenfrei oder blasenarm erzeugt werden kann. Die so erzeugte blasenfreie wärmeleitfähige Harzschicht kann beim Betrieb vorteilhaft keine Hotspots ausbilden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden in dem Schaltungsträger und in der Wärmesenke einander gegenüberliegende Durchbrüche, insbesondere Bohrungen, erzeugt. In die Bohrungen wird ein Metallkörper eingeführt, der die Wärmesenke mit der Leiterplatte elektrisch leitfähig verbindet. Der Metallkörper bildet so vorteilhaft eine elektrisch leitfähige und/oder wärmeleitfähige Via-Verbindung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in dem Schaltungsträger ein Durchbruch erzeugt, und in dem Durchbruch wird ein Metallkörper erzeugt, insbesondere galvanisch erzeugt, der sich bis hin zur Wärmesenke erstreckt und die Wärmesenke elektrisch kontaktiert. Der Metallkörper kann in einer anderen Ausführungsform auch mittels Plasmaspritzen erzeugt werden. Vorteilhaft kann die durch den Metallkörper gebildete Via-Verbindung auch nach einem Verbinden der Wärmesenke mit dem Schaltungsträger erzeugt werden.
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Die Wärmesenke weist beispielsweise eine Dickenerstreckung zwischen einem halben Millimeter und einigen Zentimetern, beispielsweise zwei Zentimeter, drei Zentimeter oder fünf Zentimeter, auf.
Die Wärmesenke kann in einer vorteilhaften Ausführungsform Fluidkanäle zum Führen eines Kühlfluids, beispielsweise Kühlwasser oder Öl, aufweisen.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand weiterer Ausführungsbeispiele beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalen.
- 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Schaltungsträger und ein Verfahren zum Verbinden eines Schaltungsträgers mit einer Wärmesenke.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Verfahrensschritt 1. Bei dem Verfahrensschritt 1 wird ein Schaltungsträger 10, insbesondere eine flache Seite 8 des Schaltungsträgers 10, mittels einer Siebdruckvorrichtung 15 mit einer Harzschicht 21, in diesem Ausführungsbeispiel eine Epoxidharzschicht 21, verbunden. Die Siebdruckvorrichtung 15 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Sieb 16, welches porös ausgebildet ist, und ein Rakel 18, welches ausgebildet ist, flüssiges Harzmaterial 9 auf dem Sieb zu rakeln, sodass das Harzmaterial 9 von dem Rakel 18 durch Löcher des Siebes 16 hindurchgedrückt werden kann und so die Harzschicht 21 auf der Seite 8 des Schaltungsträgers 10 erzeugen kann.
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Das Sieb 16 weist einen Flächenbereich 19 auf, an welchem das Sieb 16 nicht porös ausgebildet ist und dort eine Barriere 17 aufweist. Die Poren des Siebes 16 sind im Bereich der Barriere 17 geschlossen, sodass beim Rakeln des Harzmaterials 9 an dem Bereich 19 des Schaltungsträgers 10 eine Aussparung 20 in der Harzschicht 21 erzeugt wird.
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Der Schaltungsträger 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Durchbruch 13 für ein Via auf, welcher sich im Bereich 19 erstreckt.
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Die Aussparung 20 befindet sich im Bereich des Durchbruchs 13, so dass dieser durch die Harzschicht 21 nicht bedeckt wird.
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Der Schaltungsträger 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel auch wärmeleitfähig ausgebildete Via's, insbesondere Metallkörper, auf, von denen ein Metallkörper 14 beispielhaft bezeichnet ist. Der Metallkörper 14 und die weiteren Via's sind jeweils entlang einer Dickenerstreckung des Schaltungsträgers 10 ausgebildet.
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Die im Schritt 1 auf dem Schaltungsträger 10 mittels Siebdruck aufgebrachte Harzschicht 21 wird nun in einem weiteren Schritt 2 mittels elektromagnetischen Strahlen 23 ausgehärtet. Die elektromagnetischen Strahlen 23 sind beispielsweise Wärmestrahlen, insbesondere Infrarotstrahlen, oder Ultraviolettstrahlen. Die Wärmestrahlen oder die Ultraviolettstrahlen bewirken eine Vernetzung der Harzschicht 21, welche so zu einer ausgehärteten Harzschicht 21' auspolymerisieren kann.
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2 zeigt weitere Schritte zum Verbinden des Schaltungsträgers mit der Wärmesenke. Der Schaltungsträger 10 wird in einem weiteren Schritt 3 mit einer weiteren Harzschicht 22 mittels der Siebdruckvorrichtung 15 beschichtet, wobei die weitere Harzschicht 22 auf die ausgehärtete Harzschicht 21' aufgetragen wird. Der Schaltungsträger 10 wird in einem weiteren Schritt 4 mit einer Wärmesenke 24 verbunden. Die Wärmesenke 24 wird dazu in die nicht ausgehärtete und so noch flüssig ausgebildete Harzschicht 22 eingelegt und so mittels der noch flüssig ausgebildeten Harzschicht 22 als Klebstoff mit der ausgehärteten Harzschicht 21', und so auch mit dem Schaltungsträger 10, verklebt. Die Wärmesenke 24 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Durchbruch 25 auf, welcher dem Durchbruch 13 in dem Schaltungsträger 10 gegenüberliegt, wobei die Aussparung 20 in der Harzschicht 22 und der ausgehärteten Harzschicht 21' zwischen den Durchbrüchen 25 und 13 eingeschlossen ist, so dass ein durchgehender Hohlraum für ein Via gebildet ist.
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In einem weiteren Schritt 5 wird der Schaltungsträger 10 in einer Kammer 27 einem Vakuum ausgesetzt und anschließend oder zeitgleich wird die Harzschicht 22 in der Kammer 27 mittels Wärmestrahlen ausgehärtet. Die Kammer 27 kann beispielsweise durch einen Reflow-Lötofen gebildet sein, sodass ein Aushärten der Harzschicht 22 zeitgleich mit einem Verlöten von elektronischen Bauelementen mit dem Schaltungsträger stattfinden kann.
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In einem weiteren Verfahrensschritt 6 wird in diesem Ausführungsbeispiel ein Metallkörper in die Durchbrüche 25 und 13 eingeführt, welcher ausgebildet ist, die Wärmesenke 24 mit dem Schaltungsträger 10 elektrisch zu verbinden. Der Metallkörper 26 bildet somit ein elektrisch leitfähiges und/oder wärmeleitfähiges Via. Der Metallkörper 26 kann beispielsweise als Metallstift in die Durchbrüche 25 und 13 eingebracht werden oder der Metallkörper 26 kann in den Durchbrüchen 25 und 13 beispielsweise galvanisch oder mittels Plasmaspritzen erzeugt werden.
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Der Metallkörper 26 kann mittels eines Lotmittels 28 mit dem Schaltungsträger 10, insbesondere einer elektrisch leitfähigen Schicht des Schaltungsträgers 10, verlötet werden.
Der Schaltungsträger 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel mehrschichtig ausgebildet und bildet so einen Multilayer-Schaltungsträger. Der Schaltungsträger 10 weist dazu wenigstens eine elektrisch leitfähige Schicht und wenigstens eine elektrisch isolierende Schicht auf, von denen die elektrisch leitfähige Schicht 11, insbesondere Kupferschicht und die elektrisch isolierende Schicht 12, insbesondere Keramikschicht oder Prepreg-Schicht, beispielhaft bezeichnet sind.
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3 zeigt einen weiteren Schritt 7 des Verfahrens. Der Schaltungsträger 10 kann in einem weiteren Schritt 7 mit elektronischen Bauelementen bestückt und verlötet werden. Der Schaltungsträger 10 wird in dem Schritt 7 beispielhaft mit einem Halbleiterbauteil 30 und einem weiteren Bauteil 29, beispielsweise einem Kondensator oder einem Widerstand, lötverbunden. Die jeweils ausgehärteten Harzschichten 21' und 22', welche sich zwischen dem Schaltungsträger 10 und der Wärmesenke 24 erstrecken und den Schaltungsträger 10 mit der Wärmesenke 24 wärmeleitfähig verbinden, weisen in diesem
Ausführungsbeispiel gemeinsam eine Schichtdicke 31 auf, welche zwischen 70 und 150 Mikrometer beträgt.
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Von dem Halbleiterbauteil 30 erzeugte Verlustwärme 32 kann so über die Via's wie das Via 14, und weiter durch die ausgehärteten Epoxidharzschichten 21' und 22' hindurch in die Wärmesenke 24 fließen. Die Wärmesenke 24 kann beispielsweise mit einer weiteren Wärmesenke, insbesondere einem Kühlkörper, wärmeleitfähig verbunden, beispielsweise stoffschlüssig verbunden, insbesondere verlötet werden.
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Die ausgehärteten Epoxidharzschichten 21' und 22' können jeweils wärmeleitfähig ausgebildete Füllpartikel, beispielsweise Keramikpartikel, Glaspartikel, oder Graphitpartikel, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhren, aufweisen. Beispielsweise kann die Epoxidharzschicht 21', welche mit dem Schaltungsträger verbunden ist und welche ausgebildet ist, eine elektrische Isolierung zwischen der Wärmesenke und dem Schaltungsträger 10 sicherzustellen, Keramikpartikel aufweisen. Die ausgehärtete Epoxidharzschicht 21' kann beispielsweise zur Kohlenstoffpartikel, insbesondere Kohlenstoff-Nanoröhren, aufweisen, wodurch eine Wärmeleitfähigkeit der Epoxidharzschicht 21' verbessert ist.
