DE102021115845A1 - circuit board arrangement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung (1), die aufweist: ein Prepackage-Modul (2) mit einem keramischen Schaltungsträger (3), der eine isolierende Keramikschicht (31) und eine auf der Oberseite der Keramikschicht (31) angeordnete erste Metallisierungsschicht (32) aufweist, die mit einem Spannungspotential beaufschlagt ist, und mit einem elektrischen Bauteil (4), das auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht (32) angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist. Dabei umfasst die erste Metallisierungsschicht (32) eine erste Metallisierungskante (320), die auf der Keramikschicht (31) beabstandet zum Rand der Keramikschicht (31) verläuft. Die Leiterplattenanordnung (1) umfasst des Weiteren eine Leiterplatte (6), die Kontakte (61) zur elektrischen Kontaktierung des elektronischen Bauteils (5) aufweist, wobei das Prepackage-Modul (2) mit der Leiterplatte (6) verbunden ist und das elektrische Bauteil (4) über die Leiterplatte (6) elektrisch kontaktiert wird. Es ist vorgesehen, dass in der Leiterplatte (6) mindestens eine Kupferfläche (7) derart angeordnet und ausgebildet ist und das Prepackage-Modul (2) elektrische Kontakte (8) derart ausbildet, dass die Kupferfläche (7) der Leiterplatte (6) mit der ersten Metallisierungsschicht (32) des keramischen Schaltungsträgers (3) elektrisch verbunden ist und gegenüber der ersten Metallisierungskante (320) hervorsteht.The invention relates to a printed circuit board arrangement (1), which has: a prepackage module (2) with a ceramic circuit carrier (3), which has an insulating ceramic layer (31) and a first metallization layer (32) arranged on the upper side of the ceramic layer (31). has, which is acted upon by a voltage potential, and with an electrical component (4) which is arranged on top of the first metallization layer (32) and is electrically connected to it. The first metallization layer (32) comprises a first metallization edge (320) which runs on the ceramic layer (31) at a distance from the edge of the ceramic layer (31). The printed circuit board arrangement (1) further comprises a printed circuit board (6) which has contacts (61) for making electrical contact with the electronic component (5), the prepackage module (2) being connected to the printed circuit board (6) and the electrical component (4) is electrically contacted via the printed circuit board (6). It is provided that at least one copper surface (7) is arranged and formed in the circuit board (6) and the prepackage module (2) forms electrical contacts (8) in such a way that the copper surface (7) of the circuit board (6) with is electrically connected to the first metallization layer (32) of the ceramic circuit carrier (3) and projects relative to the first metallization edge (320).
Description
Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a printed circuit board arrangement according to the preamble of
Es sind keramische Schaltungsträger bekannt, bei denen eine Metallisierungsschicht auf Hochvoltpotential auf einer isolierenden Keramikschicht ausgebildet ist, die direkt oder über weitere Schichten mit einem Kühlkörper gekoppelt ist. Ein Beispiel für einen derartigen Schaltungsträger sind sogenannte DBC-Substrate (DBC = „Direct Bonded Copper“). Derartige keramische Schaltungsträger dienen der elektrischen Isolation eines mit dem keramischen Schaltungsträger verbundenen Halbleiterbauelements zum Kühlkörper und gleichzeitig der thermischen Anbindung an den Kühlkörper. Dabei kann sich in sogenannten Tripelpunkten zwischen der jeweiligen Metallisierungsschicht, der Keramikschicht und einem Vergussmaterial eine lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke ergeben. Dies wurde von C F Bayer: „Untersuchung der elektrischen Feldstärke und des Teilentladungsverhaltens an keramischen Schaltungsträgern“, Dissertation, 2018, näher untersucht. Eine lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke birgt die Gefahr in sich, dass es lokal im Vergussmaterial zu Teilentladung, d. h. zu einem lokalen Spannungsdurchschlag kommt, der sich durch das Vergussmaterial um den keramischen Schaltungsträger arbeitet und die Lebensdauer der Schaltung reduziert.Ceramic circuit carriers are known in which a metallization layer is formed at high-voltage potential on an insulating ceramic layer, which is coupled to a heat sink directly or via additional layers. So-called DBC substrates (DBC=“Direct Bonded Copper”) are an example of such a circuit carrier. Such ceramic circuit carriers are used for the electrical insulation of a semiconductor component connected to the ceramic circuit carrier from the heat sink and at the same time for the thermal connection to the heat sink. A local increase in the electric field strength can result in so-called triple points between the respective metallization layer, the ceramic layer and a potting material. This was examined in more detail by C F Bayer: "Investigation of the electric field strength and the partial discharge behavior on ceramic circuit carriers", dissertation, 2018. A local increase in the electric field strength harbors the risk of partial discharge occurring locally in the potting material, i. H. a local voltage breakdown occurs, which works its way through the potting material around the ceramic circuit carrier and reduces the service life of the circuit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplattenanordnung bereitzustellen, die lokale Feldübererhöhungen an einem keramische Schaltungsträger vermeidet oder in ihrer Stärke zumindest reduziert.The invention is based on the object of providing a printed circuit board arrangement which avoids local excessive field increases on a ceramic circuit carrier or at least reduces their strength.
Diese Aufgabe wird durch eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This problem is solved by a printed circuit board arrangement with the features of
Danach betrachtet die Erfindung eine Leiterplattenanordnung, die ein Prepackage-Modul mit einem keramischen Schaltungsträger umfasst. Der keramische Schaltungsträger weist eine isolierende Keramikschicht und eine auf der Oberseite der Keramikschicht angeordnete erste Metallisierungsschicht auf, die mit einem Spannungspotential beaufschlagt ist. Das Prepackage-Modul umfasst des Weiteren ein elektrisches Bauteil, das auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht des Schaltungsträgers angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist. Dabei weist die erste Metallisierungsschicht eine erste Metallisierungskante auf, die auf der Keramikschicht beabstandet zum Rand der Keramikschicht verläuft und durch die Begrenzungslinie der ersten Metallisierungsschicht auf der Keramikschicht gegeben ist. Die Leiterplattenanordnung umfasst des Weiteren eine Leiterplatte, die Kontakte zur elektrischen Kontaktierung des elektronischen Bauteils aufweist, wobei das Prepackage-Modul mit der Leiterplatte verbunden ist und das elektrische Bauteil über die Leiterplatte elektrisch kontaktiert wird.According to this, the invention considers a printed circuit board arrangement that includes a prepackage module with a ceramic circuit carrier. The ceramic circuit carrier has an insulating ceramic layer and a first metallization layer which is arranged on top of the ceramic layer and to which a voltage potential is applied. The prepackage module also includes an electrical component, which is arranged on the upper side of the first metallization layer of the circuit carrier and is electrically connected to it. In this case, the first metallization layer has a first metallization edge, which runs on the ceramic layer at a distance from the edge of the ceramic layer and is given by the boundary line of the first metallization layer on the ceramic layer. The printed circuit board arrangement also includes a printed circuit board which has contacts for making electrical contact with the electronic component, the prepackage module being connected to the printed circuit board and the electrical component being electrically contacted via the printed circuit board.
Es ist vorgesehen, dass in der Leiterplatte mindestens eine Kupferfläche derart angeordnet und ausgebildet ist und das Prepackage-Modul elektrische Kontakte derart ausbildet, dass im verbundenen Zustand von Prepackage-Modul die Kupferfläche der Leiterplatte mit der ersten Metallisierungsschicht des keramischen Schaltungsträgers elektrisch verbunden ist und dabei gegenüber der ersten Metallisierungskante hervorsteht, deren Begrenzungslinie also nach außen überragt.It is provided that at least one copper surface is arranged and formed in the printed circuit board in such a way and the prepackage module forms electrical contacts in such a way that when the prepackage module is connected, the copper surface of the printed circuit board is electrically connected to the first metallization layer of the ceramic circuit carrier and at the same time protrudes from the first metallization edge, the boundary line of which thus protrudes outwards.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, Punkte mit einer elektrischen Feldstärkeüberhöhung (zum Beispiel Tripelpunkte), die sich im keramischen Schaltungsträger zwischen der ersten Metallisierungsschicht, der Keramikschicht und einer eventuell vorhandenen Vergussmasse an der Metallisierungskante der ersten Metallisierungsschicht ergeben, dadurch in der auftretenden Feldstärke zu reduzieren, dass die Feldstärke im Randbereich des keramischen Schaltungsträgers homogenisiert wird. Diese Homogenisierung erfolgt über mindestens eine Kupferschicht, die an oder in der Leiterplatte ausgebildet ist und die auf dem gleichen Potential wie die erste Metallisierungsschicht liegt. Dadurch, dass die Kupferschicht die Metallisierungskante überragt, erfolgt eine Symmetriesierung der Verteilung der elektrischen Feldlinien an der Randstruktur des keramischen Schaltungsträgers, auch und gerade in Bezug auf einen elektrisch leitend ausgebildeten Kühlkörper, auf dem der keramische Schaltungsträger angeordnet ist. Dies führt zu einer Reduktion der Feldstärkeüberhöhung in kritischen Punkten wie einem Tripelpunkt. Die Kupferschicht dient damit einer geometrischen Feldsteuerung zur Reduzierung von Feldstärkeüberhöhungen an kritischen Punkten.The invention is based on the idea of points with an electric field strength increase (e.g. triple points), which occur in the ceramic circuit carrier between the first metallization layer, the ceramic layer and any potting compound present at the metallization edge of the first metallization layer, thereby reducing the field strength that occurs that the field strength in the edge area of the ceramic circuit carrier is homogenized. This homogenization takes place via at least one copper layer which is formed on or in the printed circuit board and which is at the same potential as the first metallization layer. Because the copper layer protrudes beyond the metallization edge, the distribution of the electrical field lines at the edge structure of the ceramic circuit carrier is symmetrical, also and specifically in relation to an electrically conductive heat sink on which the ceramic circuit carrier is arranged. This leads to a reduction in the field strength increase in critical points such as a triple point. The copper layer is therefore used for geometric field control to reduce excessive field strengths at critical points.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kupferfläche als Außenlage an der Unterseite der Leiterplatte ausgebildet ist. Dies erlaubt in besonderes einfacher Weise eine Kontaktierung der Kupferfläche mit der ersten Metallisierungsschicht. Gleichwohl sind auch andere Lösungen möglich. Alternativ kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Kupferfläche als vergrabene Kupferfläche beabstandet zur Unterseite der Leiterplatte verläuft. Eine Kontaktierung der Kupferflächen erfolgt dann beispielsweise durch eine Durchkontaktierung in der Leiterplatte. Diese Variante ist mit dem Vorteil verbunden, dass die Gefahr von Feldüberhöhungen an der Kupferfläche im gut isolierenden Material der Leiterplatte (typischerweise FR4) liegt.One embodiment of the invention provides that the copper surface is designed as an outer layer on the underside of the printed circuit board. This allows the copper surface to be contacted with the first metallization layer in a particularly simple manner. However, other solutions are also possible. Alternatively, provision can be made, for example, for the copper surface to run as a buried copper surface at a distance from the underside of the printed circuit board. The copper surfaces are then contacted, for example, by through-plating in the printed circuit board. This variant has the advantage that there is a risk of excessive field increases on the copper surface in the well-insulating material of the circuit board (typically FR4).
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der keramische Schaltungsträger des Weiteren eine untere, zweite Metallisierungsschicht aufweist, die auf der Unterseite der isolierenden Keramikschicht ausgebildet ist, wobei die zweite Metallisierungsschicht eine zweite Metallisierungskante aufweist, die auf der Unterseite der Keramikschicht beabstandet zum Rand der Keramikschicht verläuft, wobei die Kupferfläche der Leiterplatte auch gegenüber dem Rand der zweiten Metallisierungskante übersteht. Der keramische Schaltungsträger ist dabei beispielsweise ein DBC-Substrat. Die Erfindung ermöglicht dabei, eine Feldstärkeüberhöhung auch an kritischen Punkten wie Tripelpunkten zu reduzieren, die im keramischen Schaltungsträger zwischen der zweiten Metallisierungsschicht, der Keramikschicht und einer eventuell vorhandenen Vergussmasse an der zweiten Metallisierungskante gebildet sind.A further embodiment of the invention provides that the ceramic circuit carrier also has a lower, second metallization layer which is formed on the underside of the insulating ceramic layer, the second metallization layer having a second metallization edge which is spaced on the underside of the ceramic layer from the edge of the Ceramic layer runs, the copper surface of the printed circuit board also protrudes from the edge of the second metallization edge. The ceramic circuit carrier is, for example, a DBC substrate. The invention makes it possible to reduce a field strength increase even at critical points such as triple points that are formed in the ceramic circuit carrier between the second metallization layer, the ceramic layer and any potting compound present on the second metallization edge.
Die mit der erfindungsgemäßen Lösung verbundenen Vorteile zeigen sich dabei auch an einem keramischen Schaltungsträger, der sowohl auf seiner Oberseite als auch in seiner Unterseite eine Metallisierungsschicht aufweist. In einem solchen Fall verlaufen die Feldlinien der elektrischen Feldstärke aufgrund eines Kühlkörpers, auf dem sich der keramische Schaltungsträger typischerweise befindet und der typischerweise aus einem leitfähigen Material besteht, stark asymmetrisch, wobei die Feldlinien deutlich stärker um die obere Metallisierung gebogen sind und dort eine verstärkte Feldüberhöhung bewirken. Die durch die Kupferfläche in der Leiterplatte bereitgestellte Symmetriesierung der Verteilung der elektrischen Feldlinien an der Randstruktur des keramischen Schaltungsträgers reduziert dabei Feldstärkeüberhöhungen sowohl an der oberen Metallisierung als auch an der unteren Metallisierung des keramischen Schaltungsträgers.The advantages associated with the solution according to the invention can also be seen in a ceramic circuit carrier which has a metallization layer both on its upper side and on its lower side. In such a case, the field lines of the electric field strength run strongly asymmetrically due to a heat sink, on which the ceramic circuit carrier is typically located and which typically consists of a conductive material, with the field lines being bent much more strongly around the upper metallization and there is an increased field increase cause. The symmetrization of the distribution of the electrical field lines at the edge structure of the ceramic circuit carrier provided by the copper surface in the printed circuit board reduces excessive field strengths both on the upper metallization and on the lower metallization of the ceramic circuit carrier.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Leiterplattenanordnung des Weiteren einen Kühlkörper aufweist, wobei die Keramikschicht direkt oder über mindestens eine weitere Schicht auf den Kühlkörper aufgesetzt ist. Bei einer solchen weiteren Schicht handelt sich beispielsweise um eine untere Metallisierungsschicht. Weiter kann eine Lotschicht vorgesehen sein. Der keramische Schaltungsträger stellt eine thermische Anbindung an und eine elektrische Entkopplung gegenüber dem Kühlkörper bereit.An advantageous embodiment of the invention provides that the printed circuit board arrangement also has a heat sink, with the ceramic layer being placed directly on the heat sink or via at least one further layer. Such a further layer is, for example, a lower metallization layer. A layer of solder can also be provided. The ceramic circuit carrier provides a thermal connection to and an electrical decoupling from the heat sink.
Eine Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass der Kühlkörper an seinem Rand eine Vertiefung derart ausbildet, dass der randseitige vertikale Abstand der isolierenden Keramikschicht zur Leiterplatte im Wesentlichen identisch ist zum randseitigen Abstand der isolierenden Keramikschicht zu einer Bodenfläche des Kühlkörpers. Dies dient einer Verbesserung der Randsymmetrie des Prepackage-Moduls, die durch die Vertiefung im Kühlkörper symmetrisch oder symmetrischer zu der isolierenden Keramikschicht aufgebaut ist. Dies führt zu einer weiteren Symmetrisierung der elektrischen Feldstärke.A variant of this provides that the heat sink forms a recess at its edge such that the edge-side vertical distance of the insulating ceramic layer to the printed circuit board is essentially identical to the edge-side distance of the insulating ceramic layer to a bottom surface of the heat sink. This serves to improve the edge symmetry of the prepackage module, which is constructed symmetrically or more symmetrically to the insulating ceramic layer due to the recess in the heat sink. This leads to a further symmetrization of the electric field strength.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das elektrische Bauteil in eine Prepackage-Leiterplatte eingebettet ist, wobei die Unterseite der Prepackage-Leiterplatte auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist und die Oberseite der Prepackage-Leiterplatte durch die Kontakte der Leiterplatte kontaktiert wird. Hierbei handelt es sich um einen besonders kompakten und einfach zu handhabenden Aufbau. Da die elektrischen Kontakte der Prepackage-Leiterplatte flächig auf der Oberseite der Prepackage-Leiterplatte ausgebildet sind, kann in einfacher Weise eine Montage auf der Leiterplatte erfolgen.A further embodiment provides that the electrical component is embedded in a prepackage circuit board, with the underside of the prepackage circuit board being arranged on the top side of the first metallization layer and being electrically connected to it, and the top side of the prepackage circuit board being connected through the contacts of the circuit board is contacted. This is a particularly compact and easy-to-handle structure. Since the electrical contacts of the prepackage circuit board are formed over a large area on the upper side of the prepackage circuit board, assembly on the circuit board can take place in a simple manner.
Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass in die Prepackage-Leiterplatte auch der keramische Schaltungsträger integriert ist. Einem solchen Fall ist das gesamte Prepackage-Modul in eine Leiterplatte eingebettet.A further design variant provides that the ceramic circuit carrier is also integrated into the prepackage printed circuit board. In such a case, the entire prepackage module is embedded in a printed circuit board.
Das Spannungspotential der ersten Metallisierungsschicht ist beispielsweise ein Hochspannungspotential. Das Spannungspotential der zweiten Metallisierungsschicht ist beispielsweise das Massepotential.The voltage potential of the first metallization layer is a high-voltage potential, for example. The voltage potential of the second metallization layer is the ground potential, for example.
Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die in der Leiterplatte ausgebildete Kupferfläche elektrisch in dem Sinne isoliert ist, als sie nicht mit weiteren elektrisch leitenden Komponenten der Leiterplatte verbunden ist. Dies verdeutlicht die Funktion der Kupferfläche, den Verlauf der elektrischen Feldstärke zu beeinflussen und Feldüberhöhungen zu reduzieren, wozu allein die Beaufschlagung mit einem bestimmten elektrischen Potential von Bedeutung ist. Gleichwohl kann in alternativen Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass die Kupferfläche, gegebenenfalls über hohe ohmsche Widerstände, mit weiteren Komponenten oder Leitungen der Leiterplatte verbunden ist.Embodiments of the invention provide that the copper surface formed in the printed circuit board is electrically insulated in the sense that it is not connected to other electrically conductive components of the printed circuit board. This illustrates the function of the copper surface of influencing the course of the electric field strength and reducing excessive field increases, for which only the application of a certain electric potential is important. Nevertheless, in alternative configurations it can be provided that the copper surface is connected to other components or lines of the printed circuit board, possibly via high ohmic resistances.
Die erste Metallisierungsschicht ist im einfachsten Fall lediglich aus ein oder mehreren Metallflächen gebildet, die mit einem definierten Spannungspotential beaufschlagt sind. Dieses Spannungspotential wird dem elektrischen Bauteil, das auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist, zugeführt. Es kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die erste Metallisierungsschicht als Schaltungsträger strukturiert ist und zusammen mit dem elektrischen Bauteil, Kontakten des elektrischen Bauteils auf der Leiterplatte sowie gegebenenfalls weiteren elektrischen Verbindungen einen elektrischen Schaltkreis bildet.In the simplest case, the first metallization layer is merely formed from one or more metal surfaces to which a defined voltage potential is applied. This voltage potential is supplied to the electrical component, which is arranged on top of the first metallization layer. Provision can furthermore be made for the first metallization layer to be structured as a circuit carrier and to form an electrical circuit together with the electrical component, contacts of the electrical component on the printed circuit board and, if appropriate, further electrical connections.
Bei der Leiterplatte, mit der das Prepackage-Modul-Modul verbunden ist, handelt es sich beispielsweise um eine Dickkupferleiterplatte. Die erste Metallisierungsschicht auf der Oberseite der Keramikschicht ist beispielsweise durch Kupfer, Aluminium, Silber oder Wolfram gebildet. Gleiches gilt für eine Metallisierungsschicht auf der Unterseite der Keramikschicht.The printed circuit board to which the prepackage module is connected is, for example, a thick copper printed circuit board. The first metallization layer on top of the ceramic layer is formed by copper, aluminum, silver or tungsten, for example. The same applies to a metallization layer on the underside of the ceramic layer.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die mindestens eine Kupferfläche der Leiterplatte ringförmig ausgebildet ist, wobei der durch die Kupferflächen gebildeten Ring mit seiner Außenkante gegenüber der ersten Metallisierungskante hervorsteht. Hierdurch wird eine besonders einfache Realisierung der Kupferflächen ermöglicht. Jedoch liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass eine Mehrzahl von einzelnen Kupferflächen ausgebildet sind, die in ihrer Gesamtheit eine elektrische Feldstärkeüberhöhung reduzieren. Für diesen Fall ist jede dieser Kupferflächen gesondert mit der ersten Metallisierungsschicht elektrisch zu verbinden.A further embodiment provides that the at least one copper surface of the printed circuit board is ring-shaped, with the outer edge of the ring formed by the copper surfaces protruding in relation to the first metallization edge. This enables a particularly simple realization of the copper surfaces. However, it is also within the scope of the invention for a plurality of individual copper surfaces to be formed, which in their entirety reduce an increase in the electric field strength. In this case, each of these copper areas is to be electrically connected separately to the first metallization layer.
Bei dem elektrischen Bauelement handelt es sich beispielsweise um ein Halbleiterbauelement bzw. einen Halbleiterchip, insbesondere um einen Leistungshalbleiter.The electrical component is, for example, a semiconductor component or a semiconductor chip, in particular a power semiconductor.
Weiter kann vorgesehen sein, dass das Prepackage-Modul und das elektrische Bauteil mit einer Vergussmasse vergossen sind. Das Vorhandensein einer Vergussmasse kann dabei zur Ausbildung eines Tripelpunktes beitragen, wobei sich an der ersten Metallisierungskante und ggf. der zweiten Metallisierungskante Tripelpunkte zwischen Metallisierung, Keramik und Vergussmaterial bilden können.Furthermore, it can be provided that the prepackage module and the electrical component are encapsulated with an encapsulating compound. The presence of a potting compound can contribute to the formation of a triple point, with triple points being able to form between the metallization, the ceramic and the potting material at the first metallization edge and possibly the second metallization edge.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der elektrische Kontakt der Kupferfläche mit der ersten Metallisierungsschicht des keramischen Schaltungsträgers durch leitende geometrische Strukturen bereitgestellt wird, die auf der Oberseite des keramischen Schaltungsträgers ausgebildet sind und sich von diesem nach oben erstrecken. Hierbei handelt es sich beispielsweise um additiv gefertigte leitende Blöcke oder Ringe, die auf die erste Metallisierungsschicht aufgebracht sind und die bei der Verbindung des Prepackage-Moduls mit der Leiterplatte mit der Kupferfläche in Kontakt treten.A further embodiment of the invention provides that the electrical contact of the copper surface with the first metallization layer of the ceramic circuit carrier is provided by conductive geometric structures which are formed on the upper side of the ceramic circuit carrier and extend upwards from it. These are, for example, additively manufactured conductive blocks or rings that are applied to the first metallization layer and that come into contact with the copper surface when the prepackage module is connected to the circuit board.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass der elektrische Kontakt der Kupferfläche mit der ersten Metallisierungsschicht des keramischen Schaltungsträgers durch mindestens einen punktförmigen Kontakt bereitgestellt wird. Ein solcher punktförmiger Kontakt wird beispielsweise durch eine Durchkontaktierung einer Prepackage-Leiterplatte bereitgestellt.A further embodiment provides that the electrical contact of the copper surface with the first metallization layer of the ceramic circuit carrier is provided by at least one punctiform contact. Such a punctiform contact is provided, for example, by a through-plating of a prepackage circuit board.
Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass die Leiterplatte eine Kavität ausbildet und das elektrische Bauteil derart im Prepackage-Modul nach oben hervorsteht, dass es in die Kavität der Leiterplatte hinein ragt. Bei dieser Variante befindet sich das elektrische Bauteil geschützt in der Leiterplatte. Weiter wird der Randbereich des Prepackage-Moduls weitergehend symmetrisiert.A further embodiment provides that the printed circuit board forms a cavity and the electrical component protrudes upwards in the prepackage module in such a way that it protrudes into the cavity of the printed circuit board. In this variant, the electrical component is protected in the printed circuit board. Furthermore, the edge area of the prepackage module is further symmetrical.
Es kann vorgesehen sein, dass die Kupferfläche der Leiterplatte und die elektrische Kontakte des Prepackage-Moduls derart positioniert sind, dass bei Aufsetzen des Prepackage-Moduls auf die Leiterplatte die Kupferfläche automatisch elektrisch mit der ersten Metallisierungsschicht verbunden wird.Provision can be made for the copper surface of the printed circuit board and the electrical contacts of the prepackage module to be positioned in such a way that when the prepackage module is placed on the printed circuit board, the copper surface is automatically electrically connected to the first metallization layer.
Die Länge des Überstandes, mit dem die Kupferflächen gegenüber der ersten Metallisierungskante vorsteht, liegt in Ausgestaltungen der Erfindung im Bereich zwischen 1 mm und 10 mm, beispielsweise im Bereich zwischen 2 mm und 6 mm. Der Abstand ist dabei in einer Ansicht von oben der Abstand zwischen der ersten Metallisierungskante der ersten Metallisierungsschicht und der äußeren Begrenzungslinie der Kupferfläche. Dieser Abstand kann dabei grundsätzlich variieren. Im Falle einer beispielsweise ringförmigen Metallisierungsschicht ist dieser Abstand konstant und gleich dem radialen Abstand zwischen der Metallisierungskante und der äußeren Begrenzungslinie der Kupferfläche.In embodiments of the invention, the length of the overhang by which the copper surfaces project in relation to the first metallization edge is in the range between 1 mm and 10 mm, for example in the range between 2 mm and 6 mm. In this case, in a view from above, the distance is the distance between the first metallization edge of the first metallization layer and the outer boundary line of the copper area. This distance can vary in principle. In the case of an annular metallization layer, for example, this distance is constant and equal to the radial distance between the metallization edge and the outer boundary line of the copper surface.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung, bei der ein Prepackage-Modul mit einem keramischen Schaltungsträger mit einer Leiterplatte verbunden und eine in der Leiterplatte ausgebildete Kupferfläche eine Metallisierungskante des keramischen Schaltungsträgers überragt; -
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung gemäß der1 , wobei in einen Kühlkörper des Prepackage-Moduls eine randseitige Vertiefung eingebracht ist; -
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung gemäß der1 , wobei ein elektrisches Bauteil des Prepackage-Moduls in eine in der Leiterplatte ausgebildete Kavität ragt; -
4 eine erste Ausführungsvariante zur Kontaktierung einer Kupferfläche gemäßden 1 bis 3 , wobei die elektrische Kontaktierung über leitende Strukturen bereitgestellt wird; -
5 eine zweite Ausführungsvariante zur Kontaktierung einer Kupferfläche gemäßden 1 bis 3 , wobei die elektrische Kontaktierung über eine Durchkontaktierung in einer Prepackage-Leiterplatte bereitgestellt wird; -
6 eine dritte Ausführungsvariante zur Kontaktierung einer Kupferfläche gemäßden 1 bis 3 , wobei die elektrische Kontaktierung über eine Durchkontaktierung im Prepackage-Modul bereitgestellt wird; -
7 einen keramische Schaltungsträger gemäß dem Stand der Technik; -
8 eine keramischen Schaltungsträger gemäß der7 in Verbindung mit einer Leiterplatte; -
9 beispielhaft die elektrische Potentialverteilung an einem keramischen Schaltungsträger, der aus einer Keramikschicht und zwei Metallisierungsschichten auf der Oberseite und Unterseite der Keramikschicht besteht, wobei der keramische Schaltungsträger symmetrisch verlaufende Äquipotentiallinien aufweist; und -
10 beispielhaft die elektrische Potentialverteilung an einem keramischen Schaltungsträger, der aus einer Keramikschicht und zwei Metallisierungsschichten auf der Oberseite und Unterseite der Keramikschicht besteht, wobei der keramische Schaltungsträger auf einem elektrisch leitenden Kühlkörper angeordnet ist, wodurch die Symmetrie der Äquipotentiallinien gebrochen ist.
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1 a first exemplary embodiment of a circuit board arrangement, in which a prepackage module with a ceramic circuit carrier is connected to a circuit board and a copper surface formed in the circuit board projects beyond a metallization edge of the ceramic circuit carrier; -
2 another embodiment of a printed circuit board assembly according to1 , wherein a peripheral recess is introduced into a heat sink of the prepackage module; -
3 another embodiment of a printed circuit board assembly according to1 , wherein an electrical component of the prepackage module protrudes into a cavity formed in the circuit board; -
4 a first embodiment for contacting a copper surface according to1 until3 , wherein the electrical contact is provided via conductive structures; -
5 a second embodiment for contacting a copper surface according to1 until3 , wherein the electrical contact is provided via a via in a prepackage circuit board; -
6 a third embodiment for contacting a copper surface according to1 until3 , wherein the electrical contact is provided via a via in the prepackage module; -
7 a prior art ceramic circuit substrate; -
8th a ceramic circuit carrier according to7 in connection with a printed circuit board; -
9 by way of example, the electrical potential distribution on a ceramic circuit carrier which consists of a ceramic layer and two metallization layers on the upper side and underside of the ceramic layer, the ceramic circuit carrier having symmetrically running equipotential lines; and -
10 For example, the electrical potential distribution on a ceramic circuit board consisting of a ceramic layer and two metallization layers on the top and bottom of the ceramic layer, the ceramic circuit board being arranged on an electrically conductive heat sink, which breaks the symmetry of the equipotential lines.
Zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine Leiterplattenanordnung gemäß dem Stand der Technik anhand der
Die
Der keramische Schaltungsträger 3 ist über eine Lotschicht 34 oder eine andere Verbindungsschicht mit Kühlkörper 5 aus einem leitenden Material verbunden, insbesondere an diesen gepresst/gelötet. Hierdurch wird Verlustwärme an den Kühlkörper abgeführt. Auf der Metallisierungsschicht 32 ist über eine Lotschicht 40 ein elektrisches Bauteil, beispielsweise ein Halbleiterchip 40 angeordnet. Die erste Metallisierungsschicht 32 kann Kontaktstrukturen 43 zur elektrischen Kontaktierung des Halbleiterchips 40 mittels Bonddrähten 44 aufweisen. Ein keramischer Schaltungsträger 3 und ein elektrisches Bauteil 4 stellen ein Prepackage-Modul 2 im Sinne der vorliegenden Erfindung dar.The
Die Keramikschicht 31 weist einen Außenrand bzw. eine Umfangslinie 310 auf. Die erste Metallisierungsschicht 32 weist eine Metallisierungskante 320 auf, die den Außenrand bzw. die Umfangslinie der Metallisierungsschicht 32 bildet. Ebenso weist die zweite Metallisierungsschicht 33 eine Metallisierungskante 330 auf, die den Außenrand bzw. die Umfangslinie der Metallisierungsschicht 33 bildet. Dabei erstreckt sich der Außenrand 310 in radialer Richtung weiter nach außen als die Metallisierungskante 320, 330 (wobei die radiale Richtung in der horizontalen Ebene liegt und senkrecht auf einer vertikalen Richtung durch den Halbleiterchip 40 steht).The
Im vorliegenden Kontext ist von Bedeutung, dass an den Metallisierungskanten 320, 330 eine lokale Erhöhung der elektrischen Feldstärke vorliegt, die die Gefahr mit sich bringt, dass es zu einer Teilentladung und lokal zu einem Spannungsdurchschlag kommt. So bilden die Metallisierungskanten 320, 330 sogenannte Tripelpunkte, an denen drei unterschiedliche Materialtypen zusammentreffen, nämlich Metall der Metallisierungsschicht 32, 33, Keramik der Keramikschicht 31 sowie ein nicht dargestelltes Vergussmaterial, das um die Kanten des Schaltungsträgers 3 vergossen ist. An den Tripelpunkten liegt eine elektrischen Feldstärkeüberhöhung vor, die zu einer Teilentladung im Randbereich T des keramischen Schaltungsträgers 3 führen kann.In the present context, it is important that there is a local increase in the electrical field strength at the metallization edges 320, 330, which entails the risk of partial discharge and local voltage breakdown. The metallization edges 320, 330 form so-called triple points at which three different material types meet, namely metal of the
Die
Dieses Problem wird weitergehend anhand der
Die
Eine Lösung für das erläuterte Problem stellt die Leiterplattenanordnung der
Die Leiterplattenanordnung 1 der
Gemäß der
Die Kupferfläche 7 ist in dem Sinne elektrisch isoliert in der Leiterplatte 6 angeordnet, als sie nicht mit elektrischen Leiterbahnen oder anderen elektrischen Bauteilen der Leiterplatte 6 verbunden ist.The
Es ist vorgesehen, dass die Kupferfläche 7 über einen elektrischen Kontakt 8 mit der Metallisierungsschicht 32 des keramischen Schaltungsträgers 3 verbunden ist. Das Hochvoltpotential der Metallisierungsschicht 32 liegt damit auch an der Kupferfläche 7 an. Die Metallisierungsschicht 32 und die Kupferfläche 7 liegen auf dem gleichen Potential. Der elektrische Kontakt 8 ist dabei, wie anhand der
Die Außenkante 71 der Kupferfläche 7 steht nach außen gegenüber sowohl der Metallisierungskante 320 der Metallisierungsschicht 32 als auch der Metallisierungskante 330 der Metallisierungsschicht 33 vor. Die Innenkante 72 der Kupferfläche 7 liegt in der projizierenden Ansicht von oben radial innen beabstandet zu den Metallisierungskanten 320, 330.The
Damit steht die Kupferfläche 7 gegenüber der Metallisierungskante 320 und auch gegenüber der Metallisierungskante 330 nach außen hervor. Hierdurch beeinflusst sie den Verlauf der Feldlinien der elektrischen Feldstärke und reduziert insbesondere eine Feldüberhöhung an den erläuterten Metallisierungskanten 320, 330 bzw. dort ausgebildeten Tripelpunkten. So führt die Kupferfläche 7 zu einer verbesserten geometrischen Symmetrie der Randstruktur, wobei eine Symmetrie zwischen der Kupferfläche 7 und der dieser gegenüberliegenden Oberfläche 52 des leitend ausgebildeten Kühlkörpers 5 bereitgestellt wird.The
Die Leiterplatte 6 stellt beispielsweise eine Hauptplatine dar, auf der eine Mehrzahl von Prepackage-Modulen 2 angeordnet sind. Die Leiterplatte 6 ist dabei beispielsweise als Dickkupferleiterplatte ausgebildet.The printed
Es wird darauf hingewiesen, dass die obere Metallisierungsschicht 32 des keramischen Schaltungsträgers 3 als Schaltungsträger strukturiert sein und zusammen mit dem elektrischen Bauteil 4 und elektrischen Verbindungen auf und in der Leiterplatte 6 sowie gegebenenfalls weiteren Komponenten der Leiterplatte 6 eine elektrische Schaltung bilden kann.It is pointed out that the
Die
Die
Auch bei der
Die
Die
Dabei umfasst die Leiterplatte 45 eine Durchkontaktierung 82, die von der Metallisierungsschicht 32 ausgeht. Über diese Durchkontaktierung 82 erfolgt ein Kontakt der Kupferfläche 7 der
Die
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.It should be understood that the invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and improvements can be made without departing from the concepts described herein. It is further pointed out that any of the features described can be used separately or in combination with any other features, provided they are not mutually exclusive. The disclosure extends to and encompasses all combinations and sub-combinations of one or more features described herein. If ranges are defined, these include all values within these ranges as well as all sub-ranges that fall within a range.
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