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Die Erfindung betrifft ein keramisches Trägersubstrat, ein das Trägersubstrat umfassendes Leistungsmodul sowie ein Verfahren zur Ausbildung des Trägersubstrates gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Grundsätzlich sind Elektronikeinheiten mit immer höheren Leistungen gefragt. Dabei nimmt zukünftig eine über Lebensdauer gesicherte Betriebszuverlässigkeit sowie eine immer weiter komprimierte Bauweise einen wichtigen Stellenwert in der Wettbewerbsfähigkeit derartiger Elektronikeinheiten ein. In vielen Fällen kommen hierfür AMB-Substrate (Active Metal Brazing) zum Einsatz, die beispielsweise einen keramischen Kern aus Si3N4 aufweisen und auf deren Oberseite und/oder Unterseite mittels eines Aktiv-Lotverfahrens eine Dickkupfermetallisierung aufgebracht ist. Die Dickkupfermetallisierung ist hierbei aus thermischer und elektrischer Sicht aufgrund der großen Leistungsströme zwingend erforderlich. In gleicher Weise finden hierzu auch sogenannte DBC-Substrate (Direct Bonded Copper) Verwendung. Auch hier liegt ein keramisches Trägersubstrat vor, deren zumindest eine Substratseite mit einer Dickkupfermetallisierung mittels des ansonsten bekannten DBC-Verfahrens fest verbunden wird. Sowohl AMB-Substrate als auch DBC-Substrate weisen durch die Dickkupfermetallisierung eine hohe elektrische Stromtragfähigkeit und Robustheit auf.
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Bei der heute in elektronischen Steuergeräten (z.B. Automobilbereich) zum Einsatz kommende LTCC Multilayertechnik werden komplexe, mehrlagige Schaltungsträger für Logikanwendungen und ggf. analoge Schaltungsanteile mit Strömen im niedrigerem Amperbereich realisiert. Die Strukturierung der Leiterbahnzüge erfolgt im Siebdruckverfahren, wobei metallische Pasten zum Einsatz kommen und für die Logikanwendungen typische Leiterbahnschichtdicken von z.B. 3-12µm (im gebrannten Zustand) zum Einsatz kommen. Um hohe Ströme im 3- bis 4-stelligen Amperbereich führen zu können, werden Powersubstrate in z.B. DBC Technik mit Logiksubstraten in z.B. LTCC-Mehrlagentechnik kombiniert und über entsprechende Aufbau- und Verbindungstechniken miteinander verbunden. Die strukturelle Trennung von Logikschaltung und Ansteuerschaltung auf unterschiedlichen Trägersubstraten ist kostenaufwendig.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Anforderungen einer Leistungselektronik und einer für die Leistungselektronik erforderliche Ansteuerelektronik integral in einer keramikbasierten Substrattechnologie zu vereinheitlichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein keramisches Trägersubstrat, ein das Trägersubstrat umfassendes Leistungsmodul sowie ein Verfahren zur Ausbildung des Trägersubstrates gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Ausgegangen wird von einem keramischen Trägersubstrat für eine elektrische und/oder elektronische Schaltung, insbesondere ein LTCC- oder HTCC-Substrat, mit mehreren in einem Verbund übereinander angeordneten Keramiklagen und mit auf und/oder in einzelnen Keramiklagen angeordneten und als Leiterstruktur für die elektrische und/oder elektronische Schaltung miteinander verbundenen Leiterbahnen. Der Verbund ist insbesondere durch einen Brennvorgang ausgebildet. Hierbei ist in einer ersten Teilverbundanordnung, umfassend zumindest eine der Keramiklagen, eine erste Teilleiterstruktur und in einer an die erste Teilverbundanordnung direkt angrenzenden zweiten Teilverbundanordnung, umfassend zumindest eine der Keramiklagen, eine zweite Teilleiterstruktur ausgebildet. Dabei besteht die zweite Teilleiterstruktur im Wesentlichen, bevorzugt ausschließlich, aus Hochstromleiterbahnen und ist ausgebildet, eine auf der zweiten Teilverbundanordnung zugewandten Außenfläche des Trägersubstrates anordenbare Leistungsschaltung zu kontaktieren. Ferner besteht die erste Teilleiterstruktur im Wesentlichen, bevorzugt ausschließlich, aus Signalleiterbahnen und ist ausgebildet, eine auf der ersten Teilverbundanordnung zugewandten Außenfläche des Trägersubstrates anordenbare Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltung zu kontaktieren. Zwar ist die Leiterstruktur in unterschiedliche Teilleiterstrukturen aufgeteilt und örtlich in verschiedenen Bereichen angeordnet. Diese sind aber dabei vorteilhaft integral in einem gemeinsamen keramischen Trägersubstrat enthalten. Zum einen ist eine im Betriebseinsatz des Trägersubstrates zu erwartende erhöhte Wärmeentwicklung im Wesentlichen allein auf Seiten der zweiten Teilverbundanordnung verschoben. Die Wärmeentwicklung resultiert aufgrund von Verlustwärme, welche bei einer Bestromung der Hochstromleiterbahnen, insbesondere bei hohen Stromstärken, anfällt. Insgesamt ist dann eine ggf. erforderliche Entwärmung des Trägersubstrats vereinfacht, beispielsweise durch Vorsehen einer entsprechenden thermisch angebundenen Wärmsenke auf einer der zweiten Teilverbundanordnung zugewandten Bestückungsseite des Trägersubstrates. Die Wärmesenke ist insbesondere ein Kühlkörper, beispielsweise ein von einem Kühlmedium durchflossener Kühlkörper. Durch einen auf diese Weise erwirkbaren gezielten Wärmabfluss in Richtung der genannten Bestückungsseite ist zudem eine Erwärmung einer auf der anderen Bestückungsseite anordenbaren Ansteuerschaltung reduziert oder ausgeschlossen. Zum anderen können die beiden Teilverbundanordnungen in Hinblick auf eine Verdrahtungstopologie vorteilhaft wie einseitig bestückbare Einzelsubstrate gehandhabt werden, wobei die bisher aufwendige Aufbau- und Verbindungtechnik zum elektrischen Verbinden von zwei ansonsten getrennten Substraten für jeweils eine Leistungsschaltung und eine Ansteuerschaltung entfallen kann. Stattdessen erfolgt die elektrische Verbindung sehr einfach, indem die erste und die zweite Teilleiterstruktur mittels zumindest einer Durchkontaktierung elektrisch miteinander verbunden sind. Die Ausbildung von Durchkontaktierungen ist ein an für sich bekannter sicherer Fertigungsprozess und kann beispielsweise zusammen mit dem Auftrag von Leiterbahnen mittels beispielsweise einem Siebdruckverfahren vor einem Brennvorgang von Grünfolien zu den Keramiklagen vorbereitend ausgeführt werden. Die zumindest eine Durchkontaktierung durchdringt dabei jeweils eine Keramiklage der ersten und der zweiten Teilverbundanordnung. Bei Bedarf können auch mehrere Durchkontaktierung in gleicher Weise an unterschiedlichen Stellen des Trägersubstrates Leiterbahnen unterschiedlicher Keramiklagen der Teilverbundanordnungen miteinander elektrisch verbinden. Auch ist es möglich, dass zusätzlich gleichartige Durchkontaktierungen Leiterbahnen in oder auf unterschiedlichen Keramiklagen innerhalb einer jeweiligen Teilverbundanordnung miteinander verbinden. Allgemein ergibt sich der Vorteil, dass mittels der die beiden Teilleitstrukturen verbindenden Durchkontaktierungen zwei Stromkreise unterschiedlicher Stromstärken elektrisch gekoppelt werden können. Dabei ist beispielsweise ein Hochstromkreis durch die anordenbare Leistungsschaltung zusammen mit der zweiten Teilleiterstruktur ausbildbar. Ferner ist ein gering bestromter Logikstromkreis durch die anordenbare Ansteuerschaltung zusammen mit der ersten Teilleiterstruktur ausbildbar.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen elektronischen Baugruppe möglich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Trägersubstrates weist die zweite Teilleiterstruktur eine vielfach höhere Stromtragfähigkeit auf, als die erste Teilleiterstruktur, beispielsweise mehr als das 10-fache, bevorzugt mehr als das 20-fache, insbesondere bis zu oder mehr als das 30-fache. Eine solche Stromtragfähigkeit zeigt sich insbesondere bei einer dauerhaften Bestromung der Teilleiterstrukturen. Konkret weist die zweite Teilleiterstruktur bei einer dauerhaften Bestromung eine Stromtragfähigkeit von bis zu 200 Amper auf, bevorzugt von bis zu 500 Amper, insbesondere von bis zu 600 Amper oder mehr. Die maximale Stromtragfähigkeit für die erste Teilleiterstruktur liegt je nach Designauslegung bei bis zu 20 Amper. Bei einer gepulsten Bestromung lässt sich die Stromtragfähigkeit nochmals deutlich erhöhen und maximieren, beispielsweise weist die zweite Teilleiterstruktur bei einer gepulsten Bestromung eine Stromtragfähigkeit von bis zu 1000 Amper auf, bevorzugt von bis zu 2000 Amper, insbesondere von bis zu 3000 Amper oder mehr auf. Bei der gepulsten Bestromung weist der Strom Pulslängen in Mirco-Sekundenbereich auf. Die max. Stromtragfähigkeit bei gepulster Belastung der ersten Teilleiterstruktur liegt je nach Designauslegung bei bis zu 150 Amper, bevorzugt bei bis zu 200 Amper bei jeweils Pulslängen des Stromes im Mikro-Sekundenbereich und bei bis zu 80 Amper, bevorzugt bei bis zu 100 Amper bei jeweils Pulslängen des Stromes im Mili-Sekundenbereich. Die Stromtragfähigkeit der jeweiligen Leiterbahnen ist demnach vorteilhaft an die vorgesehene Anwendung orientiert und anpassbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführung des Trägersubstrates weisen die Hochstromleiterbahnen jeweils eine Schichtdicke von 20 µm bis einschließlich 150 µm auf, insbesondere von 40 µm bis einschließlich 150 µm. Dabei können die Schichtdicken aller Hochstromleiterbahnen gleich ausgeführt sein. Alternativ können aber auch zumindest zwei oder alle Hochstromleiterbahnen sich in ihren Schichtdicken zueinander unterscheiden. Je nachdem, welche Stromstärken schaltungstechnisch für den spezifischen Anwendungsfall vorzusehen sind, kann der Leitungsquerschnitt sowie das Material der jeweiligen Leiterbahn daraufhin spezifisch angepasst sein. Ferner ist es denkbar, dass die Schichtdicken von Leiterbahnen innerhalb der zweiten Teilverbundanordnung in oder auf einer Keramiklage gleich sind, sie sich jedoch zwischen den Keramiklagen unterscheiden. Insbesondere nimmt die Schichtdicke von Leiterbahnen, ausgehend von der zur ersten Teilverbundanordnung nächst angeordneten Keramiklage bis zu der zur ersten Teilverbundanordnung am weitesten entfernt angeordneten Keramiklage, zu. Auf diese Weise kann bei einer Bestromung die im Betrieb erzeugte Wärmeenergie in Abhängigkeit ihres Energiewertes entsprechenden Entwärmungspfaden zugeordnet werden, so Leiterbahnen mit hohen Strömen - und dabei hoher Verlustwärme - vorteilhaft möglichst kurzen Entwärmungspfaden zugeordnet sind.
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In einer besonders günstigen Ausführungsform des Trägersubstrates sind die Hochstromleiterbahnen, zumindest die der zweiten Teilleiterstruktur oder die von beiden Teilleiterstrukturen, aus Reinsilber oder Reinkupfer gebildet. Auf diese Weise sind die Leiterbahnen vorteilhaft niederohmig ausgeführt, wodurch auch die Verlustwärme im Betrieb minimal gehalten werden kann. Alternativ sind die Leiterbahnen aus einer Legierung der jeweils zuvor genannten Materialien ausgeführt. Zusätzlich alternativ können die Leiterbahnen auch aus Zinn, Wolfram, Molybdän, Platin, Palladium und/oder deren Legierungen oder Gemische ausgebildet sein, um den Materialkostenaufwand zu reduzieren. Grundsätzlich können sich die Materialien der Signalleiterbahnen und der Hochstromleiterbahnen unterscheiden. So sind insbesondere für die Hochstromleiterbahnen niederohmige Materialien vorzusehen, während die Signalleiterbahnen mit kostengünstigeren Materialien ausgeführt sein können, die im Vergleich zu den Hochstromleiterbahnen aber hochohmiger ausgebildet sind.
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In Weiterbildung des Trägersubstrates sind die Hochstromleiterbahnen jeweils aus mehreren übereinander angeordneten, insbesondere über ein Siebdruckverfahren gedruckten, und in einem Verbund miteinander verbundenen, insbesondere miteinander gebrannten, Einzellagen ausgebildet. Insbesondere weisen dann die Hochstromleiterbahnen 2 bis 12 miteinander verbundenen Einzellagen auf. Dabei sind mehrere Einzellagen über die Multilayertechnologie aufgebracht. Bei dieser wird eine Folgeschicht immer auf eine zuvor gedruckte Einzellage oder auf einen Stapel von Einzellagen aufgebracht, insbesondere mittels eines Siebdruckverfahrens, bis die vorgesehene Gesamtanzahl von Einzellagen und/oder einer vorgesehene Schichtdicke der auszubildenden Hochstromleiterbahn erreicht ist. Dabei können die Lagendicken aller Einzellagen innerhalb einer bzw. zumindest einer oder allen Hochstromleiterbahnen gleich ausgeführt sein. Alternativ können sich zumindest zwei oder alle Einzellagen innerhalb einer bzw. zumindest einer oder allen Hochstromleiterbahnen zueinander in ihren jeweiligen Lagendicken unterscheiden. Insbesondere können die Lagendicken von nachfolgend aufgebrachten Einzellagen zunehmend reduziert sein, wodurch die Ausbildung mehrlagiger Hochstromleiterbahnen besonders prozesssicher ausgeführt werden kann. Grundsätzlich kann über die Anzahl von Einzellagen die jeweilige bzw. alle Hochstromleiterbahnen vorteilhaft auf eine geforderte Stromtragfähigkeit angepasst werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Trägersubstrates weisen die Keramiklagen innerhalb der zweiten Teilverbundanordnung jeweils eine höhere Lagendicke auf, als die Keramiklagen innerhalb der ersten Teilverbundanordnung. Insbesondere weist zumindest eine oder alle Keramiklagen innerhalb der zweiten Teilverbundanordnung jeweils eine Lagendicke über 150 µm bis 1000 µm, insbesondere über 150 µm bis 750 µm, bevorzugt von 250 µm bis 600 µm auf. Bevorzugt weisen alle Keramiklagen innerhalb der zweiten Teilverbundanordnung jeweils eine gleiche Lagendicke auf. Alternativ können sich die Keramiklagen innerhalb der zweiten und/oder auch der ersten Teilverbundanordnung in ihrer jeweiligen Lagendicke unterscheiden. Vorteilhaft sind die Keramiklagen in ihren Lagendicken auf die in Hinblick auf eine geforderte Stromtragfähigkeit vorzusehenden Leiterbahnen spezifisch angepasst. Grundsätzlich können mit zunehmender Lagendicke einer Keramiklage im Querschnitt größere, insbesondere in Dickenrichtung höhere Hochstromleiterbahnen vorgesehen werden. Dabei können beispielsweise bereits bewährte HTCC- oder LTCC-Brennprozesses zum Brennen eines HTCC- oder LTCC-Trägersubstrats angewendet werden.
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Um eine besonders kompakte Ausführung des Trägersubstrates mit einer maximalen Hochstromfähigkeit zu erhalten, ist eine Ausführungsform des Trägersubstrates vorzusehen, bei welcher die Hochstromleiterbahnen jeweils Aussparungen innerhalb einer Keramiklage ausfüllen und/oder jeweils einseitig in einer Keramiklage bis auf ein Tiefenmaß eingedrückt sind. Dabei schließen die Hochstromleiterbahnen jeweils eben mit der Keramiklage ab oder stehen jeweils höchstens 20 µm zur Keramiklage über.
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Die Erfindung führt auch zu einem Leistungsmodul umfassend ein Trägersubstrat in zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Dabei ist auf der der zweiten Teilverbundanordnung zugewandten Außenfläche des Trägersubstrates eine Leistungsschaltung angeordnet, welche mit der zweiten Teilleiterstruktur elektrisch kontaktiert ist. Ferner ist auf der der ersten Teilverbundanordnung zugewandten Außenfläche des Trägersubstrates eine Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltung angeordnet, welche mit der ersten Teilleiterstruktur elektrisch kontaktiert ist. Die Leistungsschaltung umfasst zumindest einen Leistungshalbleiter, insbesondere unter Ausbildung zumindest einer B2-Brücke und/oder einer B6-Brücke. Insbesondere ist die Leistungsschaltung beispielsweise eine Gleichrichter-, Umrichter- oder Inverterschaltung oder zumindest ein Teil einer solchen Schaltung. Vorteilhaft ist auf diese Weise ein besonders kompaktes und leistungsstarkes Leistungsmodul ermöglicht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Außenfläche des Trägersubstrates auf Seiten der angeordneten Leistungsschaltung mit einer Wärmesenke thermisch verbunden, insbesondere einem Kühlkörper, beispielsweise einem mit einem Kühlmedium durchflossenen Kühlkörper. Jegliche auf Seiten der zweiten Teilverbundanordnung anfallende Verlustwärme kann sehr wirkungsvoll über die Wärmesenke aus dem Trägersubstrat abgeführt werden. Trotz hoher Ströme kann eine maximal zulässige Betriebstemperatur des Leistungsmoduls eingehalten werden, beispielsweise bis zu einer Betriebstemperatur von 175°C, insbesondere bis zu 200°C.
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Grundsätzlich ist vorteilhaft, dass im Betrieb des Leistungsmodules bei einem Anschluss der Ansteuerschaltung an eine Spannungsquelle über die erste Teilleiterstruktur Logiksignale für die Ansteuerung der Leistungsschaltung bereitgestellt sind und bei Anschluss der Leistungsschaltung an einen Hochstromverbraucher ein Hochstromkreis innerhalb der zweiten Teilleiterstruktur in Abhängigkeit der Ansteuerung ausgebildet ist. Dabei ist vorteilhaft bei einer gepulsten Ansteuerung der Leistungsschaltung ein Hochstromkreis von bis zu 1000 Amper ausbildbar, bevorzugt von bis zu 2000 Amper, insbesondere von bis zu 3000 Amper und mehr. Dabei weist der gepulste Strom jeweils eine Pulslänge im Micro-Sekundenbereich auf.
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Die Erfindung führt auch zu einem Verfahren zur Ausbildung eines Trägersubstrates in zumindest einer der zuvor beschriebenen Ausführungsform, mit den nachfolgenden Verfahrensschritten:
- a) Anordnen von Leiterbahnen auf keramischen Grünfolien, insbesondere mittels einem Siebdruckverfahren, wobei auf zumindest einer Grünfolie ein Leiterbahnmaterial für Hochstromleiterbahnen und auf zumindest einer Grünfolie Leiterbahnmaterial für Signalleiterbahnen aufgebracht wird,
- b) Stapeln von Grünfolien in einer Anordnung, wobei in einer ersten Teilanordnung ausschließlich Grünfolien umfassend die Signalleiterbahnen übereinander angeordnet werden, und wobei direkt angrenzend zur ersten Teilanordnung ausschließlich Grünfolien umfassend die Hochstromleiterbahnen übereinander angeordnet werden,
- c) Brennen der Grünfolien und der Leiterbahnen zu einer Verbundanordnung, insbesondere mittels eines HTCC- oder LTCC-Brennverfahrens, wobei durch die gebrannten Signalleiterbahnen der gebrannten ersten Teilanordnung die erste Teilleiterstruktur innerhalb der gebildeten ersten Teilverbundanordnung und durch die gebrannten Hochstromleiterbahnen in der gebrannten zweiten Teilanordnung die zweite Teilleiterstruktur der gebildeten Teilverbundanordnung ausgebildet werden.
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Die Signalleiterbahnen und die Hochstromleiterbahnen definieren sich im Wesentlichen über die jeweils ausbildbaren Stromtragfähigkeiten, wie bereits bei dem Trägersubstrat ausgeführt. Insbesondere lässt sich eine hohe Stromtragfähigkeit zur Ausbildung von Hochstromleiterbahnen wie beschrieben durch eine entsprechende Auswahl eines niederohmigen Leiterbahnmaterials, durch entsprechende Schichtdicken bzw. Schichtquerschnitten und eine entsprechende mehrlagige Ausführung zur Erreichung hoher Schichtdicken erreichen. Das Leiterbahnmaterial wird bevorzugt als metallische Paste innerhalb eines Siebdruckverfahrens auf die Grünfolie aufgebracht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird im Verfahrensschritt
- a) das Leiterbahnmaterial für die Hochstromleiterbahnen innerhalb zumindest einer Aussparung in der jeweiligen Grünfolie eingebracht und diese mit oder ohne Überstand zur Grünfolie zumindest vollständig ausgefüllt. Zusätzlich oder alternativ wird das Leiterbahnmaterial für die Hochstromleiterbahnen auf der jeweiligen Grünfolie an diese anschließend und überstehend aufgetragen. Grundsätzlich wird dann ein zur Grünfolie überstehender Teil des Leiterbahnmaterials mittels einer Druckvorrichtung in Richtung der Grünfolie Kraft beaufschlagt, so dass die auszubildende Hochstromleiterbahn durch eine Materialverdrängung innerhalb der nachgebenden Grünfolie eben oder bis zu einem maximalen Überstand von 20 µm eingedrückt wird. Die Grünfolien sind im ungebrannten Zustand sehr weich, insbesondere deutlich weicher als das aufgetragene Leiterbahnmaterial. Aus diesem Grund wird bei einer Kraftbeaufschlagung des zuvor auf die Grünfolie an diese anschließend und zu dieser abstehend aufgetragenem Leiterbahnmaterial das Material der Grünfolie partiell in Dickenrichtung so verdrängt, dass sich die durch das aufgetragene Leiterbahnmaterial jeweils ausgeformte Leiterbahn auch ohne wesentliche Formveränderung dann bis auf ein Tiefenmaß innerhalb der Grünfolie eindrücken lässt. Das in einer Aussparung einer Grünfolie eingebrachte und über die Grünfolie überstehende Leiterbahnmaterial kann dagegen bei weiterer Kraftbeaufschlagung in seiner ursprünglichen Schichtdicke durch ein Einplätten reduziert werden. Das Einplätten führt dabei zu einer partiellen lateralen Materialverdrängen der weichen Grünfolie.
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Grundsätzlich führt ein Brennprozess - insbesondere als Sinterprozess - zu einem (Sinter-)Schwund der Grünfolien und des vor dem Brennen aufgetragenen Leiterbahnmaterials, insbesondere bis zu einem Schwund von 50 % des ursprünglichen Materialvolumens.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in:
- 1: ein Leistungsmodul, umfassend ein keramisches Trägersubstrat mit einer einseitig angeordneten Leistungsschaltung und einer gegenüberliegend angeordneten Ansteuerschaltung für die Leistungsschaltung in einer schematischen Schnittdarstellung,
- 2a: eine mögliche Anordnung einer Hochstromleiterbahn in einer Grünfolie vor einem Brennvorgang in einer geschnittenen Ausschnittsdarstellung,
- 2b: eine weitere mögliche Anordnung einer Hochstromleiterbahn in einer Grünfolie vor einem Brennvorgang in einer geschnittenen Ausschnittsdarstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind funktional gleiche Bauelemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In der 1 ist in einer schematischen Schnittdarstellung ein Leistungsmodul 200 gezeigt. Das Leistungsmodul 200 umfasst ein keramisches Trägersubstrat 100, welches eine Anzahl von in einem Verbund V übereinander angeordneten Keramikanlagen 10 aufweist. Auf oder in den Keramiklagen 10 sind jeweils Leiterbahnen 20 angeordnet, welche eine Leiterstruktur 30 des keramischen Trägersubstrates 100 ausbilden. Ferner weist das keramische Trägersubstrat 100 eine erste und eine zweite jeweils mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen 50 bestückbare Außenfläche 101, 102 auf. So ist dann beispielsweise auf der zweiten Außenfläche 102 eine Leistungsschaltung 42 angeordnet. Diese weist insbesondere mindestens einen Leistungshalbleiter 52 auf. Beispielsweise sind mehrere Leistungshalbleiter 50 zu einer B2-Brücke oder einer B6-Brücke verschaltet. Die Leistungsschaltung 42 ist beispielsweise eine Gleichrichter-, Umrichter- oder Inverter-Schaltung 42', mittels welcher ein Hochstromkreis des Leistungsmodules 200 betrieben wird. Auf der gegenüberliegenden Seite zur zweiten Außenfläche 102 sind auf der ersten Außenfläche 101 des keramischen Trägersubstrates 100 mehrere elektrische und/oder elektronische Bauelemente 50 angeordnet, insbesondere zumindest ein Logikbauelement 51, welche zusammen zu einer Ansteuerschaltung 41 für die Leistungsschaltung 42 verschaltet sind. Das keramische Trägersubstrat 100 ist dabei durch speziell ausgeführte Substratbereiche sowohl an Anforderungen der Leistungsschaltung 42 als auch an Anforderungen der Ansteuerschaltung 41 angepasst. Zu diesem Zweck sind auf der der ersten Außenfläche 101 zugewandten Seite in einer ersten Teilverbundanordnung V1, umfassend zumindest eine der Keramiklagen 10, 10.1, eine erste Teilleiterstruktur 31 ausgebildet. Die erste Teilleiterstruktur 31 ist dabei im Wesentlichen, insbesondere ausschließlich gebildet aus Signalleiterbahnen 21. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind derartige Signalleiterbahnen 21 in oder auf drei Keramiklagen 10.1 angeordnet, wobei in der ersten Teilverbundanordnung V1 natürlich je nach Anwendung mehr oder weniger Keramiklagen 10.1 enthalten sein können. Signalleiterbahnen 21, die unterschiedlichen Keramiklagen 10.1 zugeordnet sind, können mittels Durchkontaktierungen 25 über eine oder mehrere Lagen hinweg miteinander elektrisch zu der ersten Teilleiterstruktur 31 verbunden sein. Die Teilleiterstruktur 31 ist dabei als Teil der Ansteuerschaltung 41 konzipiert und ausgelegt. Insbesondere können beispielsweise die Leitungsquerschnitte der Signalleiterbahnen 21 und deren Stromtragfähigkeit im niedrigen Bereich gehalten werden. Typischerweise ist die Stromtragfähigkeit der ersten Teilleiterstruktur 31 auf bis 20 Amper bei einer Dauerbestromung ausgelegt. Ferner weisen die Signalleiterbahnen 21 bevorzugt Schichtdicken von 3 µm bis max. 15 µm auf.
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Dagegen ist auf der der zweiten Außenfläche 102 zugewandten Seite in einer zweiten Teilverbundanordnung V2, umfassend zumindest eine der Keramiklagen 10, 10.2 eine zweite Teilleiterstruktur 32 ausgebildet. Die zweite Teilleiterstruktur 32 ist dabei im Wesentlichen, insbesondere ausschließlich gebildet aus Hochstromleiterbahnen 22. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind derartige Hochstromleiterbahnen 22 in oder auf vier Keramiklagen 10.2 angeordnet, wobei in der zweiten Teilverbundanordnung V2 natürlich je nach Anwendung mehr oder weniger Keramiklagen 10.2 enthalten sein können. Hochstromleiterbahnen 22, die unterschiedlichen Keramiklagen 10.2 zugeordnet sind, können mittels Durchkontaktierungen 25 über eine oder mehrere Lagen hinweg miteinander elektrisch zu der zweiten Teilleiterstruktur 32 verbunden sein. Die zweite Teilleiterstruktur 32 ist dabei als Teil der Leistungsschaltung 42 konzipiert und ausgelegt. Insbesondere können beispielsweise die Leitungsquerschnitte der Hochstromleiterbahnen 22 und deren Stromtragfähigkeit in einem hohen Bereich gehalten werden. Im Vergleich zur ersten Teilleiterstruktur 31 weist die zweite Teilleiterstruktur 32 eine vielfach höhere Stromtragfähigkeit auf, beispielsweise bei einer dauerhaften Bestromung mehr als das 10-fache, bevorzugt mehr als das 20-fache, insbesondere bis zu oder mehr als das 30-fache. Die Stromtragfähigkeit der zweiten Teilleiterstruktur 32 ist insbesondere auf bis zu 200 Amper, bevorzugt bis zu 500 Amper, insbesondere bis zu 600 Amper oder mehr ausgelegt. Bei einer gepulsten Bestromung, insbesondere durch die Ansteuerschaltung 41, weist die zweite Teilleiterstruktur 32 gar eine Stromtragfähigkeit von bis zu 3000 Amper auf. Die Hochstromleiterbahnen 32 weisen hierfür Schichtdicken von 20 µm - 150 µm auf, welche deutlich dicker ausgeführt sind, als die Schichtdicken der Signalleiterbahnen 21. Zusätzlich sind die Hochstromleiterbahnen 32 aus einem sehr niederohmigen Material gebildet, insbesondere aus Reinsilber oder Reinkupfer. Alternativ können sie aus einer Legierung der jeweils zuvor genannten Materialen ausgeführt sein. Aufgrund der unterschiedlich ausgeführten Schichtdicken von Signalleiterbahnen 21 und Hochstromleiterbahnen 22 unterscheiden sich auch die Lagendicken der Keramiklagen 10, 10.1, 10.2 in Abhängigkeit der Zugehörigkeit zur ersten oder zur zweiten Teilverbundanordnung V1, V2. Während die Keramiklagen 10.1 in der ersten Teilverbundanordnung V1 eine Lagendicke von 100 µm bis einschließlich 150 µm aufweisen, sind bei den Keramiklagen 10.2 der zweiten Teilverbundanordnung Lagendicken über 150 µm bis einschließlich 1000 µm vorzusehen.
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Grundsätzlich sind die erste und die zweite Teilleiterstruktur 31, 32 mittels mindestens einer Durchkontaktierung 25' miteinander verbunden, so dass mittels dieser auch die Ansteuerschaltung 41 und die Leistungsschaltung 42 elektrisch miteinander verschaltet sind. Die Durchkontaktierung 25` durchdringt dabei zumindest eine Keramiklage 10, 10.1, 10.2 der ersten und der zweiten Teilverbundanordnung V1, V2. Im Betrieb des Leistungsmodules 200 werden bei einem Anschluss der Ansteuerschaltung 41 an eine Spannungsquelle (nicht dargestellt) über die erste Teilleiterstruktur 31 Logiksignale für die Ansteuerung der Leistungsschaltung 42 bereitgestellt. Dies erfolgt durch niedrige dauerhafte Ansteuerströme bis zu 20 Amper. Hingegen wird bei Anschluss der Leistungsschaltung 42 an einen Hochstromverbraucher (nicht dargestellt) ein Hochstromkreis innerhalb der zweiten Teilleiterstruktur 32 in Abhängigkeit der Ansteuerung ausgebildet. Verlustwärme, welche aufgrund des Hochstromkreises an den Hochstromleiterbahnen 22 abfällt, kann als ein Wärmestrom W durch die zweite Teilverbundordnung V2 zu einem auf der zweiten Außenfläche 102 angeordneten Wärmesenke 60 abgeführt werden. Die Wärmesenke 60 ist insbesondere ein Kühlkörper, welcher beispielsweise mit einer Metallisierung auf der zweiten Außenfläche 102 hartverlötet und damit thermisch angebunden ist. Zur Erwirkung eines hohen Entwärmungsvermögens, kann der Kühlkörper bevorzugt von einem Kühlmedium, beispielsweise Wasser, durchflossen sein.
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Zur Ausbildung des Trägersubstrates 100 bzw. des Leistungsmodules 200 wird wie folgt vorgegangen. In einem ersten Verfahrensschritt werden Leiterbahnen 20 auf keramischen Grünfolien mittels eines Siebdruckverfahrens aufgebracht. So werden beispielsweise für eine Ausführung, wie in 1 dargestellt, auf drei Grünfolien mit einer metallischen Paste Signalleiterbahnen 21 aufgetragen. Auf weiteren vier Grünfolien werden mit der gleichen metallischen Paste 20' oder einer anderen, insbesondere einer niederohmigen metallischen Paste, bevorzugt aus Reinsilber oder Reinkupfer, Hochstromleiterbahnen 22 aufgetragen. Sowohl die Lagendicken der Grünfolien als auch die Schichtdicken der Leiterbahnen 20 unterscheiden sich in Abhängigkeit, ob ein Auftrag von Signalleiterbahnen 21 oder von Hochstromleiterbahnen 22 vorgesehen ist.
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In den 2a und 2b ist schematisch jeweils ein Verfahrenstand gezeigt, wie die Hochstromleiterbahnen 22 beim Auftragen in oder auf einer Grünfolie unterschiedlich angeordnet werden können. Gepunktet dargestellt ist der Zustand nach einem Brennvorgang, bei welchem Grünfolien und aufgetragene Hochstromleiterbahnen 22 einen Schwund von bis zu 50 % ihres ursprünglichen Volumens erfahren. Beide Figuren zeigen einen Ausschnitt aus einem beliebigen Schnitt durch die Grünfolie und die aufgetragene Hochstromleiterbahn 22. Bei einer ersten Möglichkeit gemäß der 2a weist die Grünfolie eine Aussparung 15 auf, die beim Auftrag der metallischen Paste 20' mit oder ohne Überstand Z zur Grünfolie von der Auftragsseite S her vollständig ausgefüllt wird. Bei einer alternativen Ausführung wird ein Leiterbahnmaterial von einer Auftragsseite S auf die ebenflächige Grünfolie aufgebracht. Es können dabei auch mehrere Lagen L in einer Stapelanordnung eine Schichtdicke der Hochstromleiterbahn 22 ausbilden, beispielsweise bis zu 12 Lagen L. Daraufhin wird von der Auftragsseite S her die aufgetragene Hochstromleiterbahn 22 mit einer Druckvorrichtung in Richtung der Auflage der Grünfolie mit einer Kraft F beaufschlagt. Da die Grünfolie weicher ist als das Leiterbahnmaterial 20', wird die aufgetragene Hochstromleiterbahn 22 mittels der Kraft F bis auf ein Tiefenmaß t - wie in der 2b gezeigt - in die Grünfolie eingedrückt. Beim Eindrücken wird Material der Grünfolie partiell in Tiefenrichtung verdrängt. Nach dem Eindrücken schließt die Hochstromleiterbahn 22 eben mit der Grünfolie von Seiten der Auftragsseite S ab oder weist einen Überstand Z auf. Ein Überstand Z in der Ausführung nach 2a kann dagegen reduziert werden, indem vergleichbar wie in 2b mit einer Kraft F auf die Hochstromleiterbahn 22 eingewirkt wird. Hierbei wird die Hochstromleiterbahn 22 eingeplättet, wobei Material der Grünfolie partiell lateral verdrängt wird.
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Nach dem Auftrag von Leiterbahnen 20, 21, 22 werden die Grünfolien in eine Stapelanordnung gebracht. Zuerst bildet man eine erste Teilanordnung mit ausschließlich den Grünfolien, umfassend die Signalleiterbahnen 21. Direkt angrenzend zur ersten Teilanordnung werden ausschließlich Grünfolien umfassend die Hochstromleiterbahnen 22 in einer zweiten Teilanordnung übereinander angeordnet. Die Stapelanordnung wird dann durch ein Brennverfahren gebrannt, insbesondere nach einem HTCC- oder LTCC-Brennverfahren. Dabei bildet sich der Verbund V aus mehreren gebrannten Keramiklagen 10, 10.1, 10.2. aus. Ferner wird durch die gebrannten Signalleiterbahnen 21 die erste Teilleiterstruktur 31 und durch die gebrannten Hochstromleiterbahnen 22 die zweite Teilleiterstruktur 32 ausgebildet. Bevorzugt ist das so erhaltene keramische Trägersubstrat 10 ein HTCC- oder ein LTCC-Substrat. Anschließend können die erste und die zweite Außenfläche 101, 102 mit elektrischen und elektronischen Bauelementen 50 bestückt und verbunden werden, beispielsweise durch einen Löt- oder Sinterverfahren. Die erste Außenfläche 101 weist insbesondere ein Anschlussschema für zumindest ein Logikbauelement 102 auf. Die zweite Außenfläche weist dagegen ein Anschlussschema für zumindest einen Leistungshalbleiter 52 auf. Insgesamt wird auf Seiten der zweiten Außenfläche 102 die Leistungsschaltung 42 und auf Seiten der ersten Außenfläche 101 die Ansteuerschaltung 41 der Leistungsschaltung 42 ausgebildet. Zusammen bilden sie mit dem Trägersubstrat 10 das Leistungsmodul 200 aus.
