DE102019126265B4 - Vorrichtung umfassend ein erstes Trägersubstrat und ein zweites Trägersubstrat, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung umfassend ein erstes Trägersubstrat und ein zweites Trägersubstrat, Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Vorrichtung umfassend ein erstes Trägersubstrat (5) und ein zweites Trägersubstrat (6), wobei das erste Trägersubstrat (5) ein isolierendes Grundsubstrat (7) mit einer daran befestigten Metallschicht aufweist, wobei die Metallschicht zur Bildung einer Leiterbahnstruktur (8) strukturiert ist und das erste Trägersubstrat (5) wenigstens ein am ersten Trägersubstrat (5) befestigtes Leistungshalbleiterbauteil (9) umfasst, welches mit der wenigstens einen Leiterbahnstruktur (8) verbunden ist, wobei das zweite Trägersubstrat (6) wenigstens eine elektrische Schaltungsanordnung (14) umfasst, wobei das zweite Trägersubstrat (6) an dem ersten Trägersubstrat (5) über wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung (11, 12, 13) befestigt ist, wobei die elektrische Schaltungsanordnung (14) des zweiten Trägersubstrats (6) elektrisch über die Verbindung (11, 12, 13) mit dem wenigstens einen Leistungshalbleiterbauteil (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Trägersubstrat (6) wenigstens eine Aussparung (21) aufweist, in welcher das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauteil (9) zumindest teilweise aufgenommen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend ein erstes Trägersubstrat und ein zweites Trägersubstrat, wobei das erste Trägersubstrat ein isolierendes Grundsubstrat mit einer daran befestigten Metallschicht aufweist, wobei die Metallschicht zur Bildung einer Leiterbahnstruktur strukturiert ist und das erste Trägersubstrat wenigstens ein am ersten Trägersubstrat befestigtes Leistungshalbleiterbauteil umfasst, welches mit der wenigstens einen Leiterbahnstruktur verbunden ist, wobei das zweite Trägersubstrat wenigstens eine elektrische Schaltungsanordnung umfasst, wobei das zweite Trägersubstrat an dem ersten Trägersubstrat über wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung befestigt ist, wobei die elektrische Schaltungsanordnung des zweiten Trägersubstrats elektrisch über die Verbindung mit dem wenigstens einen Leistungshalbleiterbauteil verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung.
  • Leistungselektronikelemente dienen beispielsweise dem Schalten von hohen Strömen und/oder dem Schalten bei hohen Spannungen. Aufgrund der dabei umgesetzten, hohen elektrischen Energie können sich derartige Leistungselektronikelemente im Betrieb stark erwärmen, so dass für sie spezielle Substrate, über die eine Abfuhr von Wärme aus den Leistungselektronikelementen einfach möglich ist, notwendig sein können. Derartige Substrate können beispielsweise eine vergleichsweise dicke Metallschicht auf einem wärmeleitenden Isolator umfassen, wobei die Metallschicht zur Ausbildung von verschiedenen Leiterbahnen strukturiert werden kann. Bei derartigen Strukturen ist jedoch die kleinstmögliche Strukturgröße fertigungstechnisch begrenzt, so dass verglichen mit anderen Substrattypen vergleichsweise große Abstände zwischen verschiedenen Leiterbahnen und/oder verschiedenen Bauelementen eingehalten werden müssen. Üblich sind bei derartigen Substraten Strukturgrößen im Bereich von etwa einem Millimeter. Für komplexere Schaltungen und/oder für Schaltungen, welche mit der Leistungselektronikschaltung zwar verbunden sind, jedoch selbst keine hohen elektrischen Energien umsetzen, kann es vorteilhaft sein, diese auf einem weiteren Substrat, welches kleinere Strukturgrößen ermöglicht, anzuordnen. Aus dem Stand der Technik sind dazu verschiedene Aufbauten bekannt.
  • In DE 10 2014 116 383 A1 wird ein Halbleitergehäuse beschrieben, welches ein erstes Halbleitermodul mit einer Vielzahl von Halbleiter-Transistorchips umfasst, wobei oberhalb des ersten Halbleitermoduls eine erste Verkapselungsschicht angeordnet ist. Ein zweites Halbleitermodul mit einer Vielzahl von Halbleitertreiberkanälen ist oberhalb des ersten Halbleitermoduls angeordnet. Eine Verbindung zwischen dem ersten Halbleitermodul und dem zweiten Halbleitermodul erfolgt über Metallstifte eines Halbleitermoduls, welche jeweils in eine Hülse des anderen Halbleitermoduls eingeführt sind.
  • In DE 10 2015 118 633 A1 ist ein Leistungshalbleitermodul mit einem Direct-Copper-Bonded-Substrat beschrieben. An einer Kupfermetallisierung des Direct-Copper-Bonded-Substrats ist ein Leistungshalbleiterchip angeordnet. Oberhalb des Leistungshalbleiterchips sind eine Isolationsschicht sowie mehrere, jeweils durch eine weitere Isolationsschicht getrennte Metallisierungsebenen aufgebracht. In der ersten Isolationsschicht sind eine Mehrzahl elektrischer Leiterbohrungen vorgesehen, welche eine erste der Metallisierungsebenen mit dem Leistungshalbleiterchip und mit einem mit der ersten Kupfermetallisierung verbundenen passiven Bauelement verbinden.
  • DE 10 2014 201 781 A1 beschreibt ein System zum Messen der Temperatur eines Halbleiterchips in einem Leistungshalbleitermodul, wobei der Halbleiterchip auf einer Trägeranordnung aufgebracht ist, in der ein mit dem Halbleiterchip thermisch gekoppelter Kondensator mit einem temperaturabhängigen Kapazitätsverhalten ausgebildet ist. Aus einer Bestimmung der Kapazität des Kondensators kann die Temperatur des Halbleiterchips abgeleitet werden.
  • DE 196 17 055 C1 offenbart ein Halbleiterleistungsmodul mit großer Packungsdichte, welches als Grundsubstrat ein z. B. als DCB-Keramik ausgebildetes erstes Trägersubstrat umfasst. Auf diesem Trägersubstrat sind Halbleiterbauelemente angeordnet. Zum Erhalt der Leiterplatte mit der gewünschten hohen Packungsdichte wird auf dem ersten Trägersubstrat ein Prepreg angeordnet, welches aus einem Glasgewebe/Epoxidharz-Laminat besteht und somit elektrisch isolierend ist. Das Prepreg umfasst Aussparungen für die auf dem DCB-Substrat angeordneten Halbleiterbauelemente. Durch das Anordnen des Prepregs auf dem DCB-Substrat wird eine ebene Oberfläche erzeugt. Auf diese Oberfläche werden weiterhin die Komponenten einer flexiblen Leiterplatte, nämlich zwei Polyimidfolien, zwischen denen eine strukturiere Kupferleiterbahn angeordnet ist, aufgebracht. Die in der den Halbleiterbauelementen zugewandten Polyimidfolie vorgesehenen Öffnungen nehmen keines der Halbleiterbauelemente auf, sondern dienen dazu, die Kupferleiterbahn der flexiblen Leiterplatte mit den Halbleiterbauelementen durch Verlöten zu verbinden.
  • In WO 2018/189 276 A1 wird ein Leistungselektronikmodul beschrieben, welches ein erstes Trägersubstrat mit darauf angeordneten Halbleiterbauteilen aufweist. Zur Kontaktierung dieser Halbleiterbauteile wird auf den Halbleiterbauteilen ein zweites Trägersubstrat angeordnet, welches mit an der Oberseite der Halbleiterbauelemente angeordneten Kontakten verbunden wird. Um einen Kontakt zur Verbindung einer Gateelektrode des Halbleiterbauteils aufzunehmen, sind entsprechende Öffnungen vorgesehen. Dabei wird jedoch weder die Gateelektrode noch ein anderer Bestandteil des Halbleiterbauteils in der Öffnung aufgenommen. Dies ist insbesondere aufgrund der Anordnung des zweiten Trägersubstrats auf einer Oberfläche des Halbleiterbauelements weder möglich noch notwendig.
  • In den weiterhin genannten Druckschriften EP 2 790 215 A1 , DE 10 2013 213 448 A1 , DE 10 2006 015 198 A1 und DE 103 55 925 A1 werden ebenfalls elektronische Bauteile beschrieben, bei welchen jeweils auf einem ersten Substrat mit Halbleiterbauelementen ein zweites Substrat angeordnet und mit dem ersten Substrat verbunden wird. Dabei findet jeweils eine Anbindung des zweiten Trägersubstrats an einer Oberfläche der Halbleiterbauelemente, welche nicht in Kontakt mit dem ersten Trägersubstrat ist, statt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, welche eine verbesserte Anbindung eines zweiten Trägersubstrats an ein erstes Trägersubstrat ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das zweite Trägersubstrat wenigstens eine Aussparung aufweist, in welcher das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauteil zumindest teilweise aufgenommen ist.
  • Die auf dem zweiten Trägersubstrat realisierte elektrische Schaltungsanordnung ist über die wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung mit der Leiterbahnstruktur des ersten Trägersubstrats elektrisch verbunden. Dies ermöglicht es, die elektrische Schaltungsanordnung auf dem zweiten Trägersubstrat mit kleineren Strukturgrößen auszuführen, als es durch die strukturierte Metallschicht des ersten Trägersubstrats möglich wäre. Vorteilhaft können so komplexere Schaltungen realisiert werden und kleinbauende und/oder günstigere Bauteile für die elektrische Schaltungsanordnung verwendet werden. Über eine oder mehrere stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindungen kann das zweite Trägersubstrat funktionell mit dem wenigstens einen Leistungshalbleiterbauteil des ersten Trägersubstrats verbunden werden, so dass ein elektrisches Zusammenwirken des Leistungshalbleiterbauteils und der elektrischen Schaltungsanordnung ermöglicht wird.
  • Das Verwenden einer stoffschlüssigen und elektrisch leitfähigen Verbindung hat dabei den Vorteil, dass eine möglichst niederinduktive Verbindung zwischen dem ersten Trägersubstrat und dem zweiten Trägersubstrat erzielt werden kann. Weiterhin wird es ermöglicht, dass bei einer Anpassung bzw. einer Überarbeitung der elektrischen Schaltungsanordnung, beispielsweise bei einem Hinzufügen oder einem Weglassen einzelner elektrischer Bauelemente, keine Änderung in der durch die strukturierte Metallschicht des ersten Trägersubstrats gebildeten Leiterbahnstruktur erforderlich wird, so dass vorteilhaft eine beispielsweise besonders niederinduktiv gestaltete Leiterbahnstruktur mit verschieden ausgestalteten elektrischen Schaltungsanordnungen bzw. mit verschiedenen zweiten Trägersubstraten verwendet werden kann.
  • Aufgrund der durch die stoffschlüssigen und elektrisch leitfähigen Verbindungen erzielten niederinduktiven Verbindung zwischen dem ersten Trägersubstrat und dem zweiten Trägersubstrat wird es weiterhin vorteilhaft ermöglicht, einzelne, bisher auf dem ersten Trägersubstrat angeordnete Bauelemente stattdessen auf dem zweiten Trägersubstrat anzuordnen, wobei vorteilhaft hinsichtlich der verwendeten Baugrößen der Bauteile auf dem zweiten Trägersubstrat auf eine kleinere mögliche Strukturgröße zurückgegriffen werden kann. Durch die wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung kann auf weitere Verbindungsmittel zwischen den Trägersubstraten, wie Bonddrähte oder Ähnliches, verzichtet werden, wodurch sich der Fertigungsaufwand bei einer Herstellung der Vorrichtung und somit auch die Herstellungskosten vorteilhaft reduzieren. Auch eine verbesserte thermische Ankopplung des zweiten Trägersubstrats an das erste Trägersubstrat und/oder eine Erhöhung der thermischen Kapazität des zweiten Trägersubstrates ist durch die wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung möglich. Dies ermöglicht eine verbesserte Kühlung der Vorrichtung und bewirkt dadurch eine verbesserte Pulsbelastbarkeit im Betrieb sowie eine Erhöhung der Lebensdauer der Vorrichtung.
  • Das zweite Trägersubstrat kann insbesondere auf dem ersten Trägersubstrat bzw. auf der aus der Metallschicht des ersten Trägersubstrats strukturierten Leiterbahnstruktur aufgesetzt und durch eine zwischen der Leiterbahnstruktur und dem zweiten Trägersubstrat angeordnete stoffschlüssige und elektrische leitfähige Verbindung an diesem befestigt und elektrisch verbunden werden. Es ist möglich, dass das erste Trägersubstrat an einer Seite des isolierenden Grundsubstrats, die der am Grundsubstrat befestigten, zur Bildung der Leiterbahn strukturierten Metallschicht gegenüberliegt, eine weitere, insbesondere unstrukturierte Metallschicht zur besseren Wärmeabfuhr aus der Leiterbahnstruktur aufweist.
  • Die elektrische Schaltungsanordnung des zweiten Trägersubstrats kann auf einer Oberseite und/oder auf einer Unterseite des zweiten Trägersubstrats angeordnet sein. Auch eine Anordnung einzelner Leiterbahnen der elektrischen Schaltungsanordnung im Inneren des zweiten Trägersubstrats, das heißt zwischen zwei verschiedenen Schichten des zweiten Trägersubstrats, ist möglich. Die stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem zweiten Trägersubstrat und dem zweiten Trägersubstrat kann an der Oberseite oder der Unterseite des zweiten Trägersubstrats, beispielsweise zwischen der Leiterbahnstruktur des ersten Trägersubstrats und einer Leiterbahn der elektrischen Schaltungsanorndnung des zweiten Trägersubstrats erfolgen. Das erste Trägersubstrat und das zweite Trägersubstrat können jeweils eine plattenartige Form mit einer beispielsweise rechteckigen Kontour aufweisen. Eine plattenartige Fläche des zweiten Trägersubstrats kann dabei kleiner, größer oder deckungsgleich zu einer plattenartige Fläche des ersten Trägersubstrats sein.
  • Es ist möglich, dass an einem ersten Trägersubstrat mehrere zweite Trägersubstrate jeweils über wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung befestigt und zwischen dem wenigstens einen Leistungshalbleiterbauteil und den elektrischen Schaltungsanordnungen elektrisch verbunden sind. Es ist auch möglich, dass ein zweites Trägersubstrat an zwei oder mehr ersten Trägersubstraten jeweils über wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung befestigt und zwischen den Leistungshalbleiterbauteilen und der elektrischen Schaltungsanordnung elektrisch verbunden sind.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung eine Lötverbindung ist. Eine Lötverbindung kann dabei eine oder mehrere Lötstellen, beispielsweise Lötpunkte oder Lötflächen, umfassen. Zur Ausbildung eines oder mehrerer Stromkreise zwischen der Leiterbahnstruktur des ersten Trägersubstrats und der elektrischen Schaltungsanordnung des zweiten Trägersubstrats kann insbesondere vorgesehen sein, dass mehrere als Lötverbindung ausgeführte stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen dem ersten Trägersubstrat und dem zweiten Trägersubstrat vorgesehen sind.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Trägersubstrat ein Direct-Copper-Bonded-Substrat (DCB-Substrat, auch als Direct-Bonded-Copper-Substrat bzw. DBC-Substrat bezeichnet) ist und/oder dass das zweite Trägersubstrat eine Leiterplatte, insbesondere eine gedruckte Leiterplatte, ist. Ein Direct-Copper-Bonded-Substrat umfasst eine auf einer isolierenden Keramik angebondete Kupferschicht. Diese kann zur Ausbildung der Leiterbahnstruktur strukturiert sein. Rückseitig auf der isolierenden Keramik kann eine weitere Metallplatte, z. B. aus Kupfer oder aus Aluminium, angeordnet sein, welche beispielsweise als ein Kühlplatte einsetzbar ist.
  • Eine gedruckte Leiterplatte (printed circuit board, PCB) kann eine oder mehrere Lagen aus einem isolierenden Kunststoff umfassen, auf der durch bereichsweise Metallisierungen und/oder durch das Ätzen einer Metallschicht mehrere Leiterbahnen und/oder Leiterbahnanordnungen gebildet werden können. Ein als Leiterplatte ausgebildetes zweites Trägersubstrat kann auch mehrere Zwischenlagen umfassen, bei denen Leiterstrukturen und/oder Bauelemente im Inneren der Leiterplatte angeordnet sind. Die elektrische Schaltungsanordnung des zweiten Trägersubstrats kann dabei Leiterbahnen auf einer Oberseite, auf einer Unterseite und/oder im Inneren der Leiterplatte umfassen. Ebenso kann die elektrische Schaltungsanordnung mehrere auf der Oberseite oder der Unterseite angeordnete elektrische Bauelemente aufweisen. Auf einer Leiterplatte, insbesondere auf einer gedruckten Leiterplatte, sind etwa um eine Größenordnung kleinere Strukturgrößen der Leiterbahnen möglich als auf einem Direct-Copper-Bonded-Substrat. Durch die kleineren Strukturgrößen können bei einer elektrischen Schaltungsanordnung auf einer Leiterplatte kleinere und/oder kostengünstigere Bauelemente verwendet werden.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die elektrische Schaltungsanordnung einer Ansteuerschaltung, insbesondere eine Gate-Treiber-Schaltung, zum Ansteuern des wenigstens einen Leistungshalbleiterbauteils umfasst. Das auf dem ersten Trägersubstrat angeordnete Leistungshalbleiterbauteil kann beispielsweise ein Bipolartransistor mit isolierender Gateelektrode (insulated-gate bipolar transistor, IGBT) oder ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor, MOSFET), insbesondere ein MOSFET auf Siliziumcarbid-Basis, sein. Eine Ansteuerung eines Gates des Leistungshalbleiterbauteils kann durch die von der elektrischen Schaltungsanordnung des zweiten Trägersubstrats umfassten Ansteuerschaltung erfolgen. Die Ansteuerschaltung kann dazu beispielsweise Gatewiderstände, Widerstände zur Symmetrierung in einem Kelvin-Source-Gatekreis, Spannungswandler und/oder weitere Treiberbauteile umfassen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das erste Trägersubstrat mehrere am ersten Trägersubstrat befestigte Leistungshalbleiterbauteile aufweist, wobei die Leistungshalbleiterbauteile jeweils wenigstens einen Transistor umfassen und die elektrische Schaltungsanordnung jeweils eine Ansteuerschaltung für die Transistoren umfasst, wobei die Ansteuerschaltungen jeweils eine mit dem Transistor verbundene Steuerleitung umfassen, wobei die Steuerleitungen jeweils derart auf dem zweiten Trägersubstrat verlaufen, dass eine induktive Kopplung jeder Steuerleitung mit der Leiterbahnstruktur des ersten Trägersubstrats gleich oder im Wesentlichen gleich ist.
  • Im Wesentlichen gleich bedeutet in diesem Zusammenhang, dass zwischen der induktiven Kopplung der einzelnen Steuerleitung mit der Leiterbahnstruktur des ersten Trägersubstrats Abweichungen von weniger als 20 %, insbesondere von weniger als 10 %, bevorzugt von weniger als 5 % bestehen. Über die auf dem zweiten Trägersubstrat angeordneten Steuerleitungen, welche jeweils über eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung mit dem ersten Trägersubstrat elektrisch verbunden sein können, kann eine Ansteuerung des wenigstens eines Transistors eines Leistungshalbleiterbauteils erfolgen. Über die Steuerleitungen kann jeweils für jeden Transistor der Leistungshalbleiterbauteile eine Steuerspannung, beispielsweise eine Gate-Source-Spannung oder eine Basis-Emitter-Spannung, an die Transistoren angelegt werden.
  • Durch die beabstandete Anordnung der Steuerleitungen des zweiten Trägersubstrats von der Leiterbahnstruktur des ersten Trägersubstrats kann zwischen den Steuerleitungen und der Leiterbahnstruktur jeweils eine induktive Kopplung bestehen. Diese induktive Kopplung bewirkt, dass bei einer Änderung eines in der Leiterbahnstruktur fließenden Stromes eine Spannung in der Steuerleitung induziert wird. Diese überlagert eine an der Steuerleitung anliegende, zur Ansteuerung eines Transistors verwendete Spannung. Beispielsweise kann im Fall einer negativen induktiven Kopplung bei einer ansteigenden Stromflanke eines Stromes in der Leiterbahnstruktur eine negative Spannung in jeder der Steuerleitungen induziert werden, wodurch beispielsweise eine Reduktion einer an der Steuerleitung anliegenden Gatespannung auftreten kann.
  • Durch die Verwendung des zweiten Trägersubstrats zur Anordnung der Steuerleitungen und der Ansteuerschaltungen kann beispielsweise durch den jeweiligen geometrischen Verlauf der Steuerleitungen Einfluss auf die induktive Kopplung genommen werden. Dadurch ist es vorteilhaft möglich, die induktive Kopplung der einzelnen Steuerleitungen mit der Leiterbahnstruktur des ersten Trägersubstrats so zu gestalten, dass die Spannungsänderungen gleich oder im Wesentlichen gleich sind. Dies wirkt sich vorteilhaft auf den Betrieb der Leistungshalbleiterbauteile auf dem ersten Trägersubstrat aus, da diese jeweils über gleiche oder im Wesentlichen gleiche Ansteuersignale über die Steuerleitungen geschaltet werden. Dadurch kann insbesondere ein möglichst gleichzeitiges Schalten der Transistoren der Leistungshalbleiterbauteile erreicht werden. Dies kann bei einer Mehrzahl von Leistungshalbleiterbauteilen auf dem ersten Trägersubstrat auch dazu führen, dass die Leistungshalbleiterbauteile insgesamt schneller geschaltet werden können, was für viele Anwendungen wünschenswert ist.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauteil ein Teil einer auf dem ersten Trägersubstrat angeordneten Stromrichterschaltung, insbesondere eines bidirektionalen Wechselrichters, ist. Die Stromrichterschaltung kann beispielsweise ein B6-Brückengleichrichter, über welchen ein Gleichstrom in einen Wechselstrom oder umgekehrt gewandelt werden kann, sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die elektrische Schaltungsanordnung wenigstens einen Kondensator umfasst, welcher mit einer Eingangsseite oder einer Ausgangsseite der Stromrichterschaltung verbunden ist. Beispielsweise ist es möglich, dass der Kondensator mit einer Gleichspannungsseite der Stromrichterschaltung verbunden ist. Der auf dem zweiten Trägersubstrat angeordnete, wenigstens eine Kondensator kann so in den Leistungskreis der Stromrichterschaltung eingebunden sein. Der wenigstens eine Kondensator auf dem zweiten Trägersubstrat kann beispielsweise als Teil einer Zwischenkreiskapazität auf der Gleichstromseite der Stromrichterschaltung und/oder als ein Snubberkondensator zur Dämpfung von Oberschwingungen eingesetzt werden. Zusätzlich zu dem Kondensator können auch ein oder mehrere Bedämpfungswiderstände der elektrischen Schaltungsanordnung vorgesehen sein, über welche beispielsweise eine Dämpfung von auf der Gleichstromseite der Stromrichterschaltung auftretenden Wechselstromstörungen möglich ist.
  • Eine Anordnung der in den Leistungskreis der Stromrichterschaltung eingebundenen Kondensatoren auf dem zweiten Trägersubstrat ist vorteilhaft deswegen möglich, da beispielsweise durch in einer Zwischenkreiskapazität eingesetzte Kondensatoren nur ein geringer Stromanteil des auf der Gleichstromseite fließenden Gesamtstromes geführt wird. In dem wenigstens einen Kondensator und/oder in gegebenenfalls zusätzlich vorgesehenen Bedämpfungswiderständen anfallende Verlustwärme kann weiterhin über die elektrisch leitfähige und stoffschlüssige Verbindung zwischen dem zweiten Trägersubstrat und dem ersten Trägersubstrat an das erste Trägersubstrat abgegeben und über dieses abgeführt werden. Auf eine zusätzliche Kühlung des zweiten Trägersubstrats kann somit vorteilhaft verzichtet werden.
  • Insbesondere bei Verwendung einer Lötverbindung als stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung kann ein geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen dem zweiten Trägersubstrat und dem ersten Trägersubstrat erreicht werden. Weiterhin kann durch einen oder mehrere auf dem zweiten Trägersubstrat angeordnete Kondensatoren die Größe einer benötigten Zwischenkreiskapazität reduziert werden. Insbesondere auf einem als gedruckte Leiterplatte ausgeführten zweiten Trägersubstrats können der wenigstens eine Kondensator und/oder gegebenenfalls vorhandene Bedämpfungswiderstände als diskrete und kostengünstige Bauteile ausgeführt werden.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Kondensator ein Keramikkondensator ist. Auch die Verwendung von verschiedenen Bauformen von Kondensatoren in der elektrischen Schaltungsanordnung des zweiten Trägersubstrats ist möglich.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung wenigstens eine Messschaltung umfasst, welche zur Messung eines elektrischen Potentials des Stromrichterschaltung, welches über die Verbindung an der elektrischen Schaltungsanordnung anliegt, ausgebildet ist. Über die wenigstens eine elektrisch leitfähige und stoffschlüssige Verbindung kann ein Potential der Stromrichterschaltung, beispielsweise ein Potential einer Gleichstromseite des Stromrichters, an der elektrischen Schaltungsanordnung auf dem zweiten Trägersubstrat anliegen. Zum Beispiel können auf dem zweiten Trägersubstrat angeordnete Kondensatoren, welche Bestandteil einer Zwischenkreiskapazität des Stromrichters sind, an der Gleichspannungsseite anliegen, so dass an einem oder mehreren der Kondensatoren die Spannungsniveaus DC+ und/oder DC- des Gleichstromzwischenkreis gemessen werden können.
  • Die Messschaltung kann beispielsweise Widerstände zur Spannungsteilung umfassen. Die Messschaltung bzw. die elektrische Schaltungsanordnung können mit einer weiteren Schaltung verbunden sein, über welche beispielsweise eine Auswertung von über die Messschaltung gemessenen Messwerten erfolgt. Durch die Messschaltung kann es ermöglicht werden, dass auf dem zweiten Trägersubstrat Hochspannungspotentiale gemessen, diese aber zum Beispiel über Widerstände zur Spannungsteilung als Niederspannungssignale an eine weitere Schaltung übertragen werden können, so dass auf große Abstände zur Spannungsisolation in der weiteren Schaltung vorteilhaft verzichtet werden kann.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Schaltungsanordnung wenigstens einen Temperatursensor, insbesondere einen NTC-Widerstand, umfasst, wobei der Temperatursensor auf dem Trägersubstrat in räumlicher Nähe zu dem Leistungshalbleiterbauteil angeordnet ist. Als Temperatursensor kann beispielsweise ein Widerstand mit negativen Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstand) verwendet werden. Bei einem solchen Widerstand nimmt der elektrische Widerstand bei steigender Temperatur ab, so dass über den Widerstandswert bzw. einer über den Widerstand abfallenden Spannung auf eine Temperatur geschlossen werden kann.
  • Der wenigstens eine Temperatursensor ist auf dem zweiten Trägersubstrat in einer räumlichen Nähe zu dem auf dem ersten Trägersubstrat angeordneten Leistungshalbleiterbauteil angeordnet. Insbesondere kann für jedes auf dem ersten Trägersubstrat vorhandene Leistungshalbleiterbauteil ein Temperatursensor auf dem zweiten Trägersubstrat angeordnet sein. Aufgrund der stoffschlüssigen und elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen dem zweiten Trägersubstrat und dem ersten Trägersubstrat kann erreicht werden, dass sich das zweite Trägersubstrat vergleichsweise nah an dem ersten Trägersubstrat bzw. an dem auf dem ersten Trägersubstrat angeordneten wenigstens einen Halbleiterbauteil befindet. Auf diese Weise kann durch die Temperaturmessung auf dem zweiten Trägersubstrat eine vergleichsweise genaue Messung der Temperatur des auf dem ersten Trägersubstrats angeordneten Leistungshalbleiterbauteil erfolgen. Weiterhin können auf dem zweiten Trägersubstrat kleinere Temperatursensoren zum Einsatz kommen.
  • Um einen möglichst kompakten Aufbau der Vorrichtung zu erzielen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das zweite Trägersubstrat wenigstens eine Aussparung aufweist, in welcher das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauteil zumindest teilweise aufgenommen ist. Das auf dem ersten Trägersubstrat angeordnete Leistungshalbleiterbauteil kann höher sein als die Leiterbahnstruktur des ersten Trägersubstrats. Durch die Aussparung in dem zweiten Trägersubstrat kann das Leistungshalbleiterbauteil zumindest teilweise in der Aussparung aufgenommen sein, so dass das zweite Trägersubstrat näher an dem ersten Trägersubstrat angeordnet werden kann. Vorteilhaft wird somit auch die stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem ersten Trägersubstrat und dem zweiten Trägersubstrat vereinfacht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass für jedes der Leistungshalbleiterbauteile eine jeweils eines der Leistungshalbleiterbauteile aufnehmende Aussparung in dem zweiten Trägersubstrat ausgebildet ist.
  • Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das erste Trägersubstrat und/oder das zweite Trägersubstrat mit einem isolierenden Material, insbesondere mit einem Silikongel, vergossen sind. Dadurch kann vorteilhaft eine Kriechstromfestigkeit der Vorrichtung reduziert werden. Insbesondere kann der Verguss mit einem isolierenden Material auch zu einer Erhöhung der Kriechstromfestigkeit, beispielsweise eines CTI-Wert (Comparative Tracking Index-Wert) eines als Leiterplatte ausgeführten zweiten Trägersubstrats führen.
  • Für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug ist vorgesehen, dass es eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst. Die Vorrichtung kann dabei insbesondere als ein bidirektionaler Wechselrichter ausgeführt sein, welcher in dem Kraftfahrzeug als ein Traktionswechselrichter zum Einsatz kommt. Durch den Traktionswechselrichter kann ein aus einer Batterie des Kraftfahrzeugs entnommener Gleichstrom in einen Wechselstrom zum Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs gewandelt werden. Umgekehrt kann in einem Rekuperationsbetrieb des Kraftfahrzeugs ein von dem Elektromotor des Kraftfahrzeugs im Generatorbetrieb erzeugter Wechselstrom zum Aufladen der Batterie in einen Gleichstrom gewandelt werden.
  • Sämtliche vorangehend im Bezug zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Schritte:
    • - Bereitstellen eines Trägersubstrats umfassend ein isolierendes Grundsubstrat mit einer daran befestigten Metallschicht, wobei die Metallschicht zur Bildung einer Leiterbahnstruktur strukturiert ist und das erste Trägersubstrat wenigstens ein am ersten Trägersubstrat befestigtes Leistungshalbleiterbauteil umfasst, welches mit der wenigstens einen Leiterbahnstruktur verbunden ist,
    • - Bereitstellen eines zweiten Trägersubstrats, wobei das zweite Trägersubstrat wenigstens eine elektrische Schaltungsanordnung umfasst, wobei das zweite Trägersubstrat wenigstens eine Aussparung aufweist, in welcher das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauteil zumindest teilweise aufgenommen ist,
    • - Anordnen des zweiten Trägersubstrats an dem ersten Trägersubstrat,
    • - Befestigen des zweiten Trägersubstrats an dem ersten Trägersubstrat über wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung derart, dass die elektrische Schaltungsanordnung des zweiten Trägersubstrats elektrisch über die Verbindung mit dem wenigstens einen Leistungshalbleiterbauteil verbunden ist.
  • Durch die getrennte Bereitstellung des ersten Trägersubstrats und des zweiten Trägersubstrats wird es ermöglicht, zwei getrennte Herstellungsprozesse zur Herstellung des ersten Trägersubstrats bzw. des zweiten Trägersubstrats zu verwenden. Auch Wechselwirkungen zwischen gegebenenfalls unterschiedlichen Produktionsschritten des einen Trägersubstrats und dem anderen Trägersubstrat muss dabei keine Rücksicht genommen werden. Auch wird es beispielsweise in einfacher Weise ermöglicht, eine Ausführungsvariante des ersten Trägersubstrats mit verschiedenen Ausführungsvarianten von zweiten Trägersubstraten zu verbinden. Über die wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung, welche nach dem Anordnen des zweiten Trägersubstrats an dem ersten Trägersubstrat vorgenommen wird, kann eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterbahnstruktur und/oder dem Leistungshalbleiterbauteil des ersten Trägersubstrats und der elektrischen Schaltungsanordnung des zweiten Trägersubstrats erfolgen.
  • Sämtliche vorangehend in Bezug zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
    • 2 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    • 3 eine Aufsicht auf das erste erste Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    • 4 eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
    • 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst eine Vorrichtung 2, welche als ein Traktionswechselrichter des Kraftfahrzeuges 1 eingesetzt wird. Über die Vorrichtung 2 kann ein von einer Traktionsbatterie 3 des Kraftfahrzeuges 1 erzeugter Gleichstrom in einen Wechselstrom zum Betrieb eines Traktionsmotors 4 des Kraftfahrzeugs 1 gewandelt werden. Umgekehrt kann in einem Rekuperationsbetrieb des Kraftfahrzeuges 1 ein von dem Traktionsmotor 4 erzeugter Wechselstrom durch die Vorrichtung 2 in einen Gleichstrom zum Laden der Traktionsbatterie 3 gewandelt werden.
  • In 2 ist eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 2 gezeigt. Die Vorrichtung 2 umfasst ein erstes Trägersubstrat 5 sowie ein auf dem ersten Trägersubstrat 5 angeordnetes zweites Trägersubstrat 6. Die Umrisse des zweiten Trägersubstrats 6 sind dabei gestrichelt dargestellt, um eine Aufsicht auf den Aufbau des ersten Trägersubstrats 5 zu ermöglichen. Der Aufbau des zweiten Trägersubstrats 6 wird nachfolgend in Bezug zu 3 detailliert erläutert.
  • Das erste Trägersubstrat 5 umfasst ein isolierendes Grundsubstrat 7, an dem eine Metallschicht befestigt ist, welche zur Bildung einer Leiterbahnstruktur 8 strukturiert ist. Das erste Trägersubstrat 5 ist als ein Direct-Copper-Bonded-Substrat ausgeführt, bei dem das isolierende Grundsubstrat 7 als eine insbesondere thermisch leitfähige Keramikschicht und die die Leiterbahnstruktur 8 bildende Metallschicht als eine Kupferschicht ausgebildet ist.
  • Das erste Trägersubstrat 5 umfasst weiterhin sechs Halbleiterbauteile 9, welche mit der Leiterbahnstruktur 8 verbunden sind. Die Leistungshalbleiterbauteile 9 sind dabei jeweils als ein Transistor, beispielsweise als IGBT oder als MOSFET, ausgeführt. Die Leistungshalbleiterbauteile 9 können weitere Elemente, beispielsweise eine Freilaufdiode oder Ähnliches, umfassen. Jedes der Leistungshalbleiterbauteile 9 weist einen mit einem Abschnitt der Leiterbahnstruktur 8 verbundenen Gateanschluss 10 auf. Die Leistungshalbleiterbauteile 9 bilden einen als Brückengleichrichter ausgebildeten Stromrichter, über welchen ein Gleichstrom mit den Potentialen DC+ und DC- in eine dreiphasige Wechselspannung mit den Phasen U, V, W gewandelt werden kann. Die Darstellung der aus der strukturierten Metallschicht gebildeten Leiterbahnstruktur 8 sowie der aus den Leistungshalbleiterbauteilen 9 gebildete Schaltungsaufbau ist rein schematisch.
  • Das erste Trägersubstrat 5 ist über mehrere stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindungen 11, 12, 13 mit dem auf dem ersten Trägersubstrat 5 angeordneten zweiten Trägersubstrat 6 verbunden. Dabei befindet sich die Verbindung 11 an einem Abschnitt der Leiterbahnstruktur 8, an welchem das Potential DC+ anliegt, die Verbindung 12 an einem Abschnitt der Leiterbahnstruktur 8, an dem das Potential DC- anliegt, sowie jeweils eine der Verbindungen 13 an dem Gateanschluss 10 jedes Leistungshalbleiterbauteils 9.
  • Über die stoffschlüssigen und elektrisch leitfähigen Verbindungen 11, 12, 13 ist das zweite Trägersubstrat 6 mit dem ersten Trägersubstrat 5 verbunden. Die stoffschlüssigen und elektrisch leitfähigen Verbindungen 11, 12, 13 sind dabei jeweils als eine Lötverbindung ausgeführt. Die Lötverbindung ist dabei zwischen der Leiterbahnstruktur 8 und den Leiterbahnen einer elektrischen Schaltungsanordnung 14 des zweiten Trägersubstrats 6 angeordnet.
  • In 3 ist eine Aufsicht auf das zweite Trägersubstrat 6 des ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 2 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind von dem ersten Trägersubstrat nur die unterhalb des zweiten Trägersubstrats 6 angeordneten Leistungshalbleiterbauteile 9 gestrichelt dargestellt. Es ist möglich, dass das zweite Trägersubstrat an den gestrichelt dargestellten Positionen der Leistungshalbleiterbauteile 9 jeweils eine Aussparung aufweist, in denen die Leistungshalbleiterbautele 9 jeweils zumindest teilweise aufgenommen sind. Insbesondere bei vergleichsweise hohen leistungshalbleiterbauteilen 9 wird somit eine nahe Anordnung des zweiten Trägersubstrats 6 an dem ersten Trägersubstrat 5 ermöglicht.
  • Das zweite Trägersubstrat 6 ist als eine gedruckte Leiterplatte ausgeführt. Über die dargestellten Verbindungen 11, 12, 13 ist die elektrische Schaltungsanordnung 14 des zweiten Trägersubstrats 6 mit der Leiterbahnstruktur 8 des ersten Trägersubstrats 5 und somit mit den Leistungshalbleiterbauteilen 9 verbunden. Die elektrische Schaltung 14 des zweiten Trägersubstrats 6 umfasst eine Anordnung von mehreren Leiterbahnen 15, über welche die weiteren Elemente der Schaltungsanordnung 14 verbunden sind. Die als Lötverbindung ausgeführten Verbindungen 11, 12, 13 befinden sich zwischen dem ersten Trägersubstrat 5 und dem zweiten Trägersubstrat 6. Eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Verbindungen 11, 12, 13 und den Leiterbahnen 15 der elektrischen Schaltung 14 kann beispielsweise durch Durchbrüche bzw. Vias in dem zweiten Trägersubstrat 6 und/oder durch eine Lötverbindung zu einer Leiterbahn 15 auf der Rückseite, hier der dem ersten Trägersubstrats 5 zugewandten Seite, des zweiten Trägersubstrats 6 erfolgen.
  • Die elektrische Schaltungsanordnung 14 umfasst drei jeweils als eine Gate-Treiber-Schaltung ausgebildete Ansteuerschaltungen 16, welche jeweils über zwei Verbindungen 13 mit den Gateanschlüssen 10 zweier der Leistungshalbleiterbauteile 9 verbunden sind. Die zwischen den Ansteuerschaltungen 16 und dem Gateanschluss 10 eines Leistungshalbleiterbauteils 9 verlaufende Leiterbahnen 15 bilden jeweils eine Steuerleitung 17, über die eine Ansteuerung des jeweiligen Leistungshalbleiterbauteils 9 durch die Ansteuerschaltung 16 erfolgen kann. Die Ansteuerschaltung 16 kann dazu beispielsweise eine Gatespannung bereitstellen, über welche das als Transistor ausgeführte Leistungshalbleiterbauteil 9 geschaltet werden kann.
  • Die Ausbildung des zweiten Trägersubstrats 6 als Leiterplatte ermöglicht es, unterschiedliche Geometrien für den Verlauf der Leiterbahnen 15 und insbesondere der Steuerleitungen 17 der elektrischen Schaltungsanordnung 14 zu realisieren. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Steuerleitungen 17 jeweils derart auf dem zweiten Trägersubstrat 6 verlaufen, dass eine induktive Kopplung jeder Steuerleitung 17 mit der Leiterbahnstruktur 8 des ersten Trägersubstrats 5 gleich oder im Wesentlichen gleich ist. Auf diese Weise kann ein möglichst gleichzeitiges und symmetrisches Schaltverhalten der Leistungshalbleiterbauteile 9 erreicht werden, da durch die gleiche oder im Wesentlichen gleiche induktive Kopplung ein Stromes in der Leiterbahnstruktur 8 auf die Gatespannung jedes der Leistungshalbleiterbauteile 9 den gleichen oder im Wesentlichen gleichen Einfluss hat. Aus unterschiedlichen Einflüssen resultierende Unterschiede in den Schaltzeitpunkten der Leistungshalbleiterbauteile 9 können dabei vorteilhaft vermieden werden.
  • Die elektrische Schaltungsanordnung 14 des zweiten Trägersubstrats 6 umfasst weiterhin zwei als Keramikkondensatoren ausgebildeten Kondensatoren 18. Die Kondensatoren 18 sind über die Verbindungen 11, 12 mit der Leiterbahnstruktur 8 des ersten Trägersubstrats 5 verbunden. Die Kondensatoren 18 sind dabei mit der Gleichspannungsseite der aus den Leistungshalbleiterbauteilen 9 gebildeten Stromrichterschaltung verbunden. Die Kondensatoren 18 sind folglich in den Leistungskreis des auf dem ersten Trägersubstrat 5 realisierten Stromrichter eingebunden.
  • Die Kondensatoren 18 sind Bestandteile einer Zwischenkreiskapazität der Gleichstromseite des Stromrichters auf dem ersten Trägersubstrat 5 und dienen der Glättung von Wechselstromanteilen in einem Gleichstrom der Gleichstromseite. Als Teile der Zwischenkreiskapazität in den Leistungskreis eingebundene Kondensatoren 18 führen einen verglichen mit dem Stromfluss in der Leiterbahnstruktur 8 des ersten Trägersubstrats 5 geringeren Strom, so dass eine Anbindung über die als Lötverbindung ausgeführten Verbindungen 11, 12 einfach möglich ist.
  • Die elektrische Schaltungsanordnung 14 umfasst weiterhin eine Messschaltung 19, welche zur Messung eines elektrischen Potentials der durch die Leistungshalbleiterbauteile 9 gebildeten Stromrichterschaltung ausgebildet ist. Im vorliegenden Bespiel sind die Potentiale des Gleichstromkreises DC+ und DCüber die Verbindungen 11, 12 mit den Leiterbahnen 15 der elektrischen Schaltungsanordnung 14 verbunden, so dass diese durch die Messschaltung 19 gemessen werden können. Die Messschaltung 19 umfasst dabei Widerstände zur Spannungsteilung.
  • Die Messschaltung 19 bzw. die elektrische Schaltungsanordnung 14 können mit einer weiteren Schaltung verbunden sein, über welche beispielsweise eine Auswertung von über die Messschaltung 19 ermittelten Messwerten erfolgt. Durch die Messschaltung 19 kann es dabei ermöglicht werden, dass auf dem zweiten Trägersubstrat 6 Hochspannungspotentiale DC+ und DC- gemessen werden, diese aber zum Beispiel über Widerstände zur Spannungsteilung als Niederspannungssignale an die weitere Schaltung übertragen werden, so dass auf große Abstände zur Spannungsisolation in der weiteren Schaltung verzichtet werden kann.
  • Weiterhin umfasst die elektrische Schaltungsanordnung 14 sechs Temperatursensoren 20, wobei jeder der Temperatursensoren 20 auf dem zweiten Trägersubstrat 6 in räumlicher Nähe zu einem der auf dem ersten Trägersubstrat 5 angeordneten Leistungshalbleiterbauteile 9 angeordnet und diesem dadurch zugeordnet ist. Die Temperatursensoren 20 sind dabei jeweils als ein NTC-Widerstand ausgeführt, über dessen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand jeweils die Temperatur des dem Temperatursensor 20 zugeordneten Leistungshalbleiterbauteils 9 bestimmt werden kann.
  • Die elektrische Schaltungsanordnung 14 des zweiten Trägersubstrats 6 ist schematisch dargestellt und kann insbesondere weitere Elemente wie Snubber-Kondensatoren und/oder Bedämpfungswiderstände und/oder weitere Leiterbahnen 15 umfassen, welche die dargestellten Elemente und/oder die weiteren Elemente der elektrischen Schaltungsanordnung 14 miteinander verbinden. Die elektrische Schaltungsanordnung 14 kann mit einer weiteren elektrischen Schaltung, über welche beispielsweise die Ansteuerschaltungen 16 betrieben werden und/oder über die die Messschaltung 19 und/oder die Temperatursensoren 20 ausgelesen werden, verbunden sein. Das erste Trägersubstrat 5 und das zweite Trägersubstrat 6 sind weiterhin mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem Silikongel, vergossen. Dadurch kann die Kriechstromfestigkeit der Vorrichtung 2 erhöht werden.
  • In 4 ist eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 2 dargestellt. Das erste Trägersubstrat 5 umfasst neben der isolierenden Grundplatte 7 und der Leiterbahnstruktur 8 eine weitere Metallschicht 22, welche an der der Leiterbahnstruktur 8 gegenüberliegenden Fläche des isolierenden Grundsubstrats 7 angeordnet ist. Die weitere Metallschicht 22 dient dabei insbesondere der Wärmeabfuhr aus dem ersten Trägersubstrat 5 und dem mit dem ersten Trägersubstrat 5 verbundenen zweiten Trägersubstrat 6. Zwischen dem ersten Trägersubstrat 5 und dem zweiten Trägersubtrat 6 ist ein isolierendes Material 23 angeordnet. Das isolierende Material 23 kann beispielsweise durch einen Verguss des ersten Trägersubstrats 5 und des zweiten Trägersubstrats 6 in dem isolierenden Material 23 erzeugt werden.
  • Eine elektrische Verbindung zwischen der Leiterbahnstruktur 8 des ersten Trägersubstrats 5 und den Leiterbahnen 15 des zweiten Trägersubstrats 6 erfolgt über die als Lötverbindungen ausgeführten Verbindungen 11, 12. Die Lötstellen der Verbindungen 11, 12 sind jeweils über ein Via 24 mit den Leiterbahnen 15 der elektrischen Schaltung 14 des zweiten Trägersubstrats 6 verbunden.
  • Das zweite Trägersubstrat 6 umfasst weiterhin eine Aussparung 21, in welcher das Leistungshalbleiterbauteil 9 des ersten Trägersubstrates 5 teilweise aufgenommen ist. Auf diese Weise wird eine möglichst kompakte Anordnung des zweiten Trägersubstrats 6 an dem zweiten Trägersubstrat 5 erreicht.
  • Es ist insbesondere möglich, dass eine Vorrichtung 2 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel mehrere Leistungshalbleiterbauteilelemente 9 aufweist, wobei in einer oder mehreren Aussparungen 21 des zweiten Trägersubstrats 6 jeweils ein oder mehrere der Leistungshalbleiterbauteile 9 aufgenommen sind.
  • In 5 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem Schritt S1 des Verfahrens erfolgt das Bereitstellen eines ersten Trägersubstrats 5, dessen Metallschicht zur Bildung der Leiterbahnstruktur 8 strukturiert ist und an dem ein oder mehrere Leistungshalbleiterbauteile 9 angeordnet und mit der Leiterbahnstruktur 8 verbunden sind.
  • In einem Schritt S2 erfolgt das Bereitstellen eines zweiten Trägersubstrats 6, welches die elektrische Schaltungsanordnung 14 umfasst. Das Bereitstellen der als getrennte Bauteile vorliegenden Trägersubstrate 5, 6 erlaubt eine getrennte Fertigung des ersten Trägersubstrats 5 und des zweiten Trägersubstrats 6.
  • In einem Schritt S3 des Verfahrens erfolgt ein Anordnen des zweiten Trägersubstrats 6 an dem ersten Trägersubstrat 5. Das Anordnen erfolgt dabei derart, dass sich das zweite Trägersubstrat 6 in einer solchen Position in Bezug zu dem ersten Trägersubstrat 5 befindet, dass sich die über die elektrisch leitfähigen und stoffschlüssigen Verbindungen 11, 12, 13 zu verbindenden Abschnitte der jeweiligen Trägersubstrate 5, 6 gegenüberliegen.
  • In einem Schritt S4 erfolgt das Befestigen des zweiten Trägersubstrats 6 an dem ersten Trägersubstrat 5 durch Ausbilden der stoffschlüssigen und elektrisch leitfähigen Verbindungen 11, 12, 13 derart, dass die elektrische Schaltungsanordnung 14 des zweiten Trägersubstrats 6 elektrisch über die Verbindungen 11, 12, 13 mit dem Leistungshalbleiterbauteil 9 oder den Leistungshalbleiterbauteilen 9 des ersten Trägersubstrats 5 verbunden ist. Die stoffschlüssigen und elektrisch leitfähigen Verbindungen 11, 12, 13 können beispielsweise durch ein Verlöten erfolgen.
  • In einem optionalen Schritt S5 kann ein Verguss des ersten Trägersubstrats 5 und des zweiten Trägersubstrats 6 mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem Silikongel, erfolgen.

Claims (13)

  1. Vorrichtung umfassend ein erstes Trägersubstrat (5) und ein zweites Trägersubstrat (6), wobei das erste Trägersubstrat (5) ein isolierendes Grundsubstrat (7) mit einer daran befestigten Metallschicht aufweist, wobei die Metallschicht zur Bildung einer Leiterbahnstruktur (8) strukturiert ist und das erste Trägersubstrat (5) wenigstens ein am ersten Trägersubstrat (5) befestigtes Leistungshalbleiterbauteil (9) umfasst, welches mit der wenigstens einen Leiterbahnstruktur (8) verbunden ist, wobei das zweite Trägersubstrat (6) wenigstens eine elektrische Schaltungsanordnung (14) umfasst, wobei das zweite Trägersubstrat (6) an dem ersten Trägersubstrat (5) über wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung (11, 12, 13) befestigt ist, wobei die elektrische Schaltungsanordnung (14) des zweiten Trägersubstrats (6) elektrisch über die Verbindung (11, 12, 13) mit dem wenigstens einen Leistungshalbleiterbauteil (9) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Trägersubstrat (6) wenigstens eine Aussparung (21) aufweist, in welcher das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauteil (9) zumindest teilweise aufgenommen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung (11, 12,13) eine Lötverbindung ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägersubstrat (5) ein Direct-Copper-Bonded-Substrat ist und/oder dass das zweite Trägersubstrat (6) eine Leiterplatte, insbesondere eine gedruckte Leiterplatte, ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltungsanordnung (14) eine Ansteuerschaltung (16), insbesondere eine Gate-Treiber-Schaltung, zum Ansteuern des wenigstens einen Leistungshalbleiterbauteils (9) umfasst.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägersubstrat (5) mehrere am ersten Trägersubstrat (5) befestigte Leistungshalbleiterbauteile (9) aufweist, wobei die Leistungshalbleiterbauteile (9) jeweils wenigstens einen Transistor umfassen und die elektrische Schaltungsanordnung (14) jeweils eine Ansteuerschaltung (16) für die Transistoren umfasst, wobei die Ansteuerschaltungen (16) jeweils eine mit dem Transistor verbundene Steuerleitung (17) umfassen, wobei die Steuerleitungen (17) jeweils derart auf dem zweiten Trägersubstrat (6) verlaufen, dass eine induktive Kopplung jeder Steuerleitung (17) mit der Leiterbahnstruktur (8) des ersten Trägersubstrats (5) gleich oder im Wesentlichen gleich ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauteil (9) ein Teil einer auf dem ersten Trägersubstrat (5) angeordneten Stromrichterschaltung, insbesondere eines bidirektionalen Wechselrichters, ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltungsanordnung (14) wenigstens einen Kondensator (18) umfasst, welcher mit einer Eingangsseite oder einer Ausgangsseite der Stromrichterschaltung verbunden ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (18) ein Keramikkondensator ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (14) wenigstens eine Messschaltung (19) umfasst, welche zur Messung eines elektrischen Potentials der Stromrichterschaltung, welches über die Verbindung an der elektrischen Schaltungsanordnung (14) anliegt, ausgebildet ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (14) wenigstens einen Temperatursensor (20), insbesondere einen NTC-Widerstand, umfasst, wobei der Temperatursensor (20) auf dem zweiten Trägersubstrat (6) in räumlicher Nähe zum dem Leistungshalbleiterbauteil (9) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Trägersubstrat (5) und/oder das zweite Trägersubstrat (6) mit einem isolierenden Material, insbesondere mit einem Silikongel, vergossen sind.
  12. Kraftfahrzeug, umfassend eine Vorrichtung (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  13. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines ersten Trägersubstrats (5) umfassend ein isolierendes Grundsubstrat (7) mit einer daran befestigten Metallschicht, wobei die Metallschicht zur Bildung einer Leiterbahnstruktur (8) strukturiert ist und das erste Trägersubstrat (5) wenigstens ein am ersten Trägersubstrat (5) befestigtes Leistungshalbleiterbauteil (9) umfasst, welches mit der wenigstens einen Leiterbahnstruktur (8) verbunden ist, - Bereitstellen eines zweiten Trägersubstrats (6), wobei das zweite Trägersubstrat (6) wenigstens eine elektrische Schaltungsanordnung (14) umfasst, wobei das zweite Trägersubstrat (6) wenigstens eine Aussparung (21) aufweist, in welcher das wenigstens eine Leistungshalbleiterbauteil (9) zumindest teilweise aufgenommen ist, - Anordnen des zweiten Trägersubstrats (6) an dem ersten Trägersubstrat (5), - Befestigen des zweiten Trägersubstrats (6) an dem ersten Trägersubstrat (5) über wenigstens eine stoffschlüssige und elektrisch leitfähige Verbindung (11, 12, 13) derart, dass die elektrische Schaltungsanordnung (14) des zweiten Trägersubstrats (6) elektrisch über die Verbindung (11, 12, 13) mit dem wenigstens einen Leistungshalbleiterbauteil (9) verbunden ist.
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