DE102021106594A1

DE102021106594A1 - Niederinduktive hochintegrierte schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102021106594A1
Application number: DE102021106594.1A
Authority: DE
Inventors: Jasper Schnack; Ulf Schümann
Original assignee: Fachhochschule Kiel
Current assignee: Fachhochschule Kiel
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2022-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung aufweisend mindestens ein keramisches Substrat und/oder Leiterbahnen und/oder elektrisch leitfähige Leiterplatten und/oder Stromschienen, mindestens ein Halbleiterbauelement und/oder einen elektronischen Schalter, mindestens ein niederinduktiv angebundener Kondensatorwickel einen mechanischer Schaltungsträger und mindestens eine unterseitige und/oder oberseitige Kühlstruktur zur partiellen aktiven Kühlung der angeordneten Komponenten.

Description

Die Erfindung betrifft eine niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung aufweisend mindestens ein keramisches Substrat und/oder Leiterbahnen und/oder elektrisch leitfähige Leiterplatten und/oder Stromschienen, mindestens ein Halbleiterbauelement und/oder einen elektronischen Schalter, mindestens ein niederinduktiv angebundener Kondensatorwickel einen mechanischer Schaltungsträger und mindestens eine unterseitige und/oder oberseitige Kühlstruktur zur partiellen aktiven Kühlung der angeordneten Komponenten.
Unter einer Leiterplatte (printed circuit board, PCB) wird allgemein ein Träger mit einem Laminat aus einem Dielektrikum, beispielsweise ein durch Glasgewebe verstärktes Epoxidharz, und einem metallischen Material, wie Kupfer, für die Signalwege/Leitungswege/Leiterbahnen verstanden. Das Dielektrikum fungiert als elektrischer Isolator. Je nach Komplexität der Schaltung kann die Leiterplatine mit mehreren Signallayern aufgebaut sein. Die Leiterplatte dient dabei zur elektrischen Verbindung der Komponenten, hier Bauteile genannt, sowie der mechanischen Befestigung.
Übliches Laminat hat einen relativ schlechten Wärmeleitwert gegenüber dem Metall der Signalwege. Die meisten Bauteile haben ohne Leiterplatte keine thermischen Überlebenschancen, weil sie nicht die für die notwendige Wärmeabfuhr erforderliche Oberflächengröße bieten. Erst durch die Wärmeübertragung in die Leiterplatte und die dortige Wärmespreizung oder durch angebrachte Kühlkörper kann die Wärme über eine größere Oberfläche an die Umgebung abgegeben werden. Einige gängige Abhilfe für eine Wärmeableitung ist der Einsatz von thermischen Vias. Ein Via ist im Prinzip eine Bohrung, die durch einen Kupfermantel ähnlich einer hochleitenden Hülse die Wärme mit einem hohen Leitwert transportiert.
Eine Leiterplatte, auch Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung, sowie printed circuit board, PCB, ist ein Träger für elektronische Bauteile und dient der mechanischen Befestigung und elektrischen Verbindung.
Direct bonded copper, kurz DBC, auch Direct copper bonded, ist in der Aufbau- und Verbindungstechnik eine Struktur, die eine enge elektrisch / thermische Verbindung elektronischer Bauteile und Chips über Kupfer ermöglicht. Dies ist besonders in der Leistungselektronik für eine bessere Wärmeableitung wichtig. Es werden sowohl Hybridschaltkreise mittels Chip- und Drahtbonden als auch Metallkern-Leiterplatten gefertigt. Auf einem DBC-Substrat werden aus bzw. auf der Kupferschicht Leiterbahn-Strukturen und Kontaktflächen hergestellt, um Bauteile aufzulöten, die so besonders gut gekühlt werden, was bei konventionellen Leiterplatten aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Substrates nicht erreichbar ist.
Die Druckschrift DE 10 2018 202 484 A1 zeigt eine Leistungselektronikanordnung mit einen Kühlkörper.
Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass keine technischen Lösungen und Hinweise für die Integration von Wickelkondensator und Leistungshalbleiterschalter oberseitig auf demselben Substrat gegeben werden. Weiter fehlt jeder Hinweis auf eine notwendige aktive Kühlung von Wickelkondensator und Leistungshalbleiterschalter, wie z.B. die Möglichkeit, eine aktive, bedarfsgerechte Kühlung durch spezielle Kühlstrukturen unterhalb von Wickelkondensator oder Leistungshalbleiterschalter einzusetzen. Damit ist eine koaxiale und somit induktivitätsarme Anbindung des Wickelkondensator an die Kommutierungsmasche bei gleichzeitiger Kühlung des Wickelkondensators nicht möglich.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die Mängel des Standes der Technik.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung, mit funktionaler als auch räumlicher Integration der Bauteile, mit höherer Leistungsdichte bereitzustellen, so dass insbesondere damit auch geringere parasitäre Elemente als bei herkömmlichen Systemen realisierbar werden.
Eine weitere Aufgabe ist es eine niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung bereitzustellen, die die Verwendung sehr hoher Schaltfrequenzen für neuartiges Halbleitermaterial mit mehr Effizienz ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe ist es eine niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung bereitzustellen, die eine Verringerung der Schaltverluste (und damit einen höheren Wirkungsgrad) ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe ist es eine niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung bereitzustellen, die die konstruktiven Voraussetzungen für eine Verringerung der Bauteilanzahl bereitstellt, wodurch insbesondere keine DCB-Snubber notwendig sind.
Die Aufgabe bzw. die Aufgaben werden gelöst mit einer niederinduktiven hochintegrierten Schaltungsanordnung gemäß Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist die niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung auf:

- mindestens ein keramisches Substrat und/oder Leiterbahnen und/oder elektrisch leitfähige Leiterplatten und/oder Stromschienen,
- mindestens ein Halbleiterbauelement und/oder einen elektronischen Schalter,
- mindestens einen niederinduktiv angebundener Kondensatorwickel
- einen mechanischer Schaltungsträger und
- mindestens eine unterseitige und/oder oberseitige Kühlstruktur zur partiellen aktiven Kühlung der angeordneten Komponenten

Weiter kann die niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung ausgebildet sein mit:

- mindestens einen Leistungshalbleiter,
- mindestens ein direct-copper-bonded - Substrat und/oder eine Leiterplatine / printedcircuit-board.

Zudem kann bevorzugt die jeweilige mindestens eine Kondensatorwickel eine koaxiale Leitungsverbindung und/oder Koaxialverbindung aufweisen.
Zudem kann besonders bevorzugt die jeweilige mindestens eine Kühlerstruktur in einer Ausführungsvariante eine Wasserkühlung aufweisen.
Insbesondere können zur weiteren Verbesserung das / die Halbleiterelemente thermische Vias aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Kondensatorwickel mit niederinduktiver koaxialer Leitungsführung und/oder mit einem Hochtemperatur-Dielektrikum ausgebildet sein.
Weiter kann in einer Ausführungsvariante eine partielle Kühlung über eine strukturierte Bodenplatte und/oder eine Pin-Fin-Struktur unterhalb der thermisch schwächeren Komponenten vorgesehen sein.
Die Kühlstruktur schließt dabei eine partielle Kühlung über strukturierte Bodenplatte oder Pin-Fin Struktur unterhalb der thermisch schwächeren Komponenten mit ein.
Die erfinderische niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung wird durch eine geschickte Kombination und Integration der Bauteile in einer aktiven Kühlung besonders Effizient.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante kann das thermische Via-Feld zwar den Wärmeleitwert durch eine Platine erhöhen, jedoch erzeugen Vias keine erwähnenswerte Kühlmasse, vielmehr wird erst durch das Hinzufügen von wärmespreizenden Kupferflächen in der Platine oder durch den Einsatz von DCB-Substrat im Zusammenhang mit aktiven Kühlkörpern auf der Platinen- oder Substratrückseite eine hinreichende Kühlung der Bauelemente möglich.
Es sollte bzw. sogar muss bevorzugt ein Hochtemperatur Wickelgut für den Kondensator verwendet werden.
Insgesamt ergeben sich die folgenden Vorteile, nämlich:

- eine höhere Leistungsdichte,
- Realisierung geringerer parasitärer Elemente als bei herkömmlichen Systemen,
- Verwendung sehr hoher Schaltfrequenzen, so dass auch neuartige Halbleitermaterialien mit mehr Effizienz eingesetzt werden können,
- Verringerung der Schaltverluste, so dass ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird,
- Verringerung der Bauteilanzahl da keine DCB-Snubber notwendig sind,
- Integration von Wickelkondensatoren und Leistungshalbleitern auf einem gemeinsamen Substratträger bei aktiver Kühlung,
- die Performance der Baugruppe wird nicht mehr auf das schwächste Glied reduziert, da nunmehr aktiv gekühlt werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht zwingend beschränkend zu werten sind:
Es zeigen:

einen ersten beispielhaften Aufbau einer Ausführungsvariante der Erfindung einer niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung;
einen zweiten beispielhaften Aufbau einer Ausführungsvariante der Erfindung einer niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung und
einen dritten beispielhaften Aufbau einer Ausführungsvariante der Erfindung einer niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung.

In ist ein erster beispielhafter Aufbau einer Ausführungsvariante der Erfindung einer niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung gezeigt.
. zeigt einen zweiten beispielhaften Aufbau einer Ausführungsvariante der Erfindung einer niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung.
Weiter ist in ein dritter beispielhafter Aufbau einer Ausführungsvariante der Erfindung einer niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung dargestellt.
Weitere Ausgestaltungen sind mit den folgenden Ausbildungen möglich:

- Leiterplatte anstatt einer DCB, so dass ein Power-Embedding von Chips und/oder anderen Bauteilen möglich ist,
- anderer Substrataufbau bspw. nur aus Dickkupfer
- Kühlung von oben und/oder von der Seite und/oder am Mantel des Kondensators,
- räumliche Führung der Stromschienen, bspw. durch Kondensatorwickel im 90°-Winkel.

Bezugszeichenliste

1: niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung
2: Leistungshalbleiter
3: Kondensatorwickel
4: Koaxialverbindung
5: DCB-Substrat (DCB - direct copper bonded)
6: Durchkontaktierung
7: Wasserkühler
8: Kühlerstruktur
10: Leiterplatte/Platine (PCB - printed circuit board)
11: thermische Vias / heat pipe
12: Spannungsversorgung (DC+, DC-)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018202484 A1 [0006]

Claims

Niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung aufweisend: - mindestens ein keramisches Substrat und/oder Leiterbahnen und/oder elektrisch leitfähige Leiterplatten und/oder Stromschienen, - mindestens ein Halbleiterbauelement und/oder einen elektronischen Schalter, - mindestens ein niederinduktiv angebundener Kondensatorwickel - einen mechanischer Schaltungsträger und - mindestens eine unterseitige und/oder oberseitige Kühlstruktur zur partiellen aktiven Kühlung der angeordneten Komponenten.
Niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weiter vorgesehen sind / ausgebildet ist: - mindestens einen Leistungshalbleiter, - mindestens ein direct-copper-bonded - Substrat und/oder eine Leiterplatine / printedcircuit-board.
Niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das der jeweilige mindestens eine Kondensatorwickel eine koaxiale Leitungsverbindung und/oder Koaxialverbindung aufweist.
Niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige mindestens eine Kühlerstruktur eine Wasserkühlung aufweist.
Niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das / die Halbleiterelemente thermische Vias aufweisen.
Niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorwickel mit niederinduktiver koaxialer Leitungsführung und/oder mit einem Hochtemperatur-Dielektrikum ausgebildet ist.
Niederinduktive hochintegrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine partielle Kühlung über eine strukturierte Bodenplatte und/oder eine Pin-Fin-Struktur unterhalb der thermisch schwächeren Komponenten vorgesehen ist.