DE102021122633A1

DE102021122633A1 - Substrat für eine leistungselektronische Schaltung und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102021122633A1
Application number: DE102021122633.3A
Authority: DE
Inventors: Dominic Birkicht; Matthias Dörrich; Silke Kraft; Erik Michaelsen
Original assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 2021-09-01
Filing date: 2021-09-01
Publication date: 2023-03-02
Also published as: KR20230033627A; CN115732463A

Abstract

Vorgestellt wird ein Substrat für eine leistungselektronische Schaltung mit einem flächigen Isolierstoffkörper und mit auf dessen zweiter Hauptfläche angeordneten flächigen metallischen Leiterbahnen und mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneten flächigen Metallkaschierungen, wobei eine erste Teilkaschierung und eine zweite Teilkaschierung davon an oder benachbart zu einer Außenkante des Isolierstoffkörpers angeordnet sind und wobei beide Teilkaschierungen durch einen vorzugsweise bis auf die erste Hauptfläche reichenden Graben voneinander getrennt sind und wobei der Graben entweder eine Damm aufweist, bei der der Graben teilweise mit einem Dammmaterial verfüllt ist oder eine Grabenstruktur aufweist. Die Erfindung umfasst weiterhin ein Herstellungsverfahren für eine Ausgestaltung eines derartigen Substrats.

Description

Die Erfindung beschreibt eine leistungselektronische Schaltung mit einem flächigen Isolierstoffkörper und mit auf dessen zweiter Hauptfläche angeordneten flächigen metallischen Leiterbahnen und mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneten flächigen Metallkaschierungen. Gattungsgemäße Substrate sind hierbei insbesondere als sog. DCB - direct copper bonding - Substrate und deren Derivate bekannt. Wenn diese Substrate als Mehrfachnutzen vorliegen ist es bekannt, dass eine erste Teilkaschierung und eine zweite Teilkaschierung der Metallkaschierung an oder benachbart zu einer Außenkante des Isolierstoffkörpers angeordnet sind, wobei beide Teilkaschierungen durch einen bis auf die erste Hauptfläche reichenden Graben voneinander getrennt sind. Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine konkrete Ausgestaltung des genannten Substrats.
Die DE 43 19 944 A1 offenbart ein derartiges gattungsgemäßes Mehrfach-Substrat mit einer Keramikschicht, die wenigstens zwei aneinander anschließende und einstückig miteinander verbundene Nuten bildet, welche jeweils an wenigstens einer Oberflächenseite der Keramikschicht mit wenigstens einer Metallisierung oder Metallfläche versehen sind, sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Weiterhin offenbart die EP 0 330 895 A2 eine Vorrichtung zum Befestigen von elektronischen Bauelementen, insbesondere Leistungshalbleitern, auf Substraten mittels eines Drucksinterverfahren, bei dem die zu verbindenden Flächen unter Zwischenfügung einer Metallpulverpaste bei Sintertemperatur mit mindestens 900 N/cm² zusammengepresst werden. Bauelemente mit strukturierter Oberseite können druckgesintert werden, wenn sie gemeinsam mit einem Körper aus elastisch verformbarem Material, z.B. Silikonkautschuk, in eine durch einen bewegbaren Stempel abgeschlossene, den Sinterdruck übertragende Aufnahmekammer eingelegt werden, wobei der deformierbare Körper beim Erreichen des Sinterdrucks den verbleibenden Innenraum der Aufnahmekammer vollständig ausfüllt.
Bei einer Verwendung eines o.g. Mehrfach-Substrats im Rahmen des o.g. Verfahren zur stoffschlüssigen Befestigung von beispielhaft Leistungshalbleiterbauelementen auf den Leiterbahnen eines solchen Substrats ergibt sich insbesondere folgende nachteilige Situation: Der Isolierstoffkörper des Substrats weist auf seiner den Leiterbahnen abgewandte ersten Hauptfläche eine flächige Metallkaschierung auf, wobei eine erste Teilkaschierung und eine zweite Teilkaschierung benachbart zu einer Außenkante des Isolierstoffkörpers angeordnet sind und wobei beide Teilkaschierungen durch einen Graben voneinander getrennt sind. Der deformierbare Körper, das sog. Sinterkissen, geht im Rahmen des Verfahrens bei dem aufgewandten Druck in einen Zustand über, der ähnlich ist einer Verflüssigung mit einer hohen Viskosität. Das Sinterkissen wird somit viskoelastisch und kann in den Graben eindringen. Nach Beendigung der Druckbeaufschlagung verbleibt ein Teil des Sinterkissens in diesem Graben, wodurch das Sinterkissen beschädigt ist. Dieser Mechanismus schränkt die Standzeit, also die Zahl der möglichen Verwendungen, des Sinterkissens ein.
In Kenntnis des Standes der Technik und der geschilderten nachteiligen Situation liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Substrat für leistungselektronische Schaltungen, wie auch ein spezielles Herstellungsverfahren eines Substrats derart weiterzuentwickeln, dass bei der Sinterverbindung eines Verbindungspartners mit diesem Substrat das Sinterkissen vor Beschädigung weitestgehend geschützt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Substrat für eine leistungselektronische Schaltung mit einem flächigen Isolierstoffkörper und mit auf dessen zweiter Hauptfläche angeordneten flächigen metallischen Leiterbahnen und mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneten flächigen Metallkaschierungen, wobei eine erste Teilkaschierung und eine zweite Teilkaschierung davon an oder benachbart zu einer Außenkante des Isolierstoffkörpers angeordnet sind und wobei beide Teilkaschierungen durch einen vorzugsweise bis auf die erste Hauptfläche reichenden Graben zumindest teilweise voneinander getrennt sind und wobei der Graben entweder einen Damm aufweist, wobei der Graben teilweise mit einem Dammmaterial verfüllt ist, somit ein Restgraben erhalten bleibt, wobei die Ausgestaltung folgende Bedingungen erfüllt:

a) in Grabenrichtung betrachtet betragt die maximale Querschnittsfläche des Dammmaterials mindestens 30% der lichten Querschnittsfläche des Grabens;
b) in Grabenrichtung betrachtet beträgt die Länge des Dammmaterials mindestens 50% der lichten Tiefe des Grabens;

Unter dem Begriff „Graben“ soll hier und im Folgenden ein gedachter Zwischenraum zwischen zwei Teilmetallisierungen verstanden werden, der von benachbarten Abschnitten der, dem Isolierstoffkörper abgewandten, jeweiligen Oberfläche der Teilmetallisierung in Richtung auf den Isolierstoffkörper hin reicht und beide Teilmetallisierungen räumlich voneinander trennt. Ein „Damm“ ist dann eine, in Längsrichtung bzw. Grabenrichtung betrachtet, teilweise Füllung eines derartigen Grabens mit einem Dammmaterial. Durch die Füllung des Grabens mit einem Dammmaterial verbleibt ein realer Rest des Grabens, also ein immer vorhandener Restgraben. Unter dem Begriff „lichte Querschnittsfläche“ soll die in Grabenrichtung betrachtete Fläche des Grabens, genauer des Restgrabens, verstanden werden die durch die erste Hauptfläche des Isolierstoffkörpers, die beiden Seitenwände des Grabens und die gedachte Verbindungslinie der beiden an die Seitenwände anschließenden Oberflächen der Teilkaschierungen gebildet wird. Unter der „lichten Tiefe“ des Grabens, genauer des Restgrabens, soll der senkreche Abstand der Oberfläche der beiden gleich dicken Teilkaschierung zur ersten Hauptfläche des Isolierstoffkörpers verstanden werden. Unter der „lichten Durchgangsfläche“ soll in Grabenrichtung betrachtet diejenige Querschnittsfläche verstanden werden, die sich in Projektion auf den Grabeneingang, also der Öffnung des Grabens an der Außenkante des Isolierstoffs, ergibt.
Es kann einerseits vorteilhaft sein, wenn das Dammmaterial als ein erstes Dammmaterial ausgebildet ist, das identisch mit dem Material der Teilkaschierungen ausgebildet ist und vorteilhafterweise die beiden Teilkaschierungen und das erste Dammmaterial einstückig ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung weist dann also einen teilweise nicht realen Graben auf. Die beiden Teilkaschierungen waren also auch während der Herstellung niemals zweistückig. Vielmehr ist der bestehende Zwischenraum zwischen den Teilkaschierungen insbesondere mittels des noch im Folgenden beschriebenen Verfahrens ausgebildet worden. Andererseits kann es vorteilhaft sein, wenn das Dammmaterial als ein zweites Dammmaterial ausgebildet ist, das vom Material der beiden Teilkaschierungen unterschiedlich und entweder metallisch oder nichtmetallisch, vorzugsweise als Kunststoff, vorzugsweise als Epoxidharz, ausgebildet ist.
Speziell kann es bevorzugt sein, wenn die maximale Querschnittsfläche mindestens 50%, insbesondere mindestens 80%, oder 100% der lichten Querschnittsfläche des Grabens beträgt.
Auch kann es bevorzugt sein, wenn in Grabenrichtung betrachtet die Länge des Dammmaterials maximal 50%, vorzugsweise maximal 30%, der Länge 822 des Grabens beträgt.
Grundsätzlich kann es bevorzugt sein, wenn die Außenkante des Dammmaterials jeweils unmittelbar mit der angrenzenden Außenkante der ersten und zweiten Teilkaschierung fluchtet. Alternativ kann es bevorzugt sein, wenn die Außenkante des Dammmaterials jeweils gegenüber der angrenzenden Außenkante der beiden Teilkaschierung maximal um das 10-fache der lichten Tiefe des Grabens in den Graben hinein zurückversetzt ist.
Im Grunde ist es vorteilhaft, wenn eine dem Graben benachbarte jeweilige Außenkante der beiden Teilkaschierungen mit der zugeordneten Außenkante des Isolierstoffkörpers fluchtet. Alternativ kann es vorteilhaft sein, wenn eine dem Graben benachbarte jeweilige Außenkante der beiden Teilkaschierungen gegenüber der zugeordneten Außenkante des Isolierstoffkörpers maximal um das 10-fache, insbesondere um das 5-fache der, für beide gleichen, Dicke der beiden Teilkaschierungen zurückversetzt ist.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Grabenstruktur ausgewählt ist aus einer oder einer Kombination der folgenden Teilstrukturen:

A) Teilstruktur mit mäanderförmigem Verlauf;
B) Teilstruktur mit bogen- oder S-förmigen Verlauf;
C) Teilstruktur mit einem oder einer Mehrzahl von lokalen Einzügen;
D) Teilstruktur mit einem konusförmigen Verlauf.

Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Grabenstruktur durch Strukturierung mindestens einer der Teilkaschierungen der Metallkaschierung ausgebildet wurde. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Grabenstruktur durchgehend eine Tiefe aufweist, die der Dicke der Metallkaschierungen entspricht und somit bis auf den Isolierstoffkörper hinabreicht.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Substrats mit folgenden aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten:

• Bereitstellen eines Vorsubstrats mit einem flächigen Isolierstoffkörper und mit auf dessen erster Hauptfläche angeordneter flächiger Metallkaschierung;
• Strukturieren der Metallkaschierung wobei umlaufend auf einem Randabschnitt des Isolierstoffkörper eine Randkaschierung entsteht, die an mindestens einer Stelle einen Restgraben aufweist und die einen Abschnitt aufweist, der gebildet wird durch eine erste Teilkaschierung, die einstückig in ein erstes Dammmaterial übergeht, das wiederum einstückig in eine zweite Teilkaschierung übergeht.

Es kann hierbei vorteilhaft sein, wenn das Strukturieren mittels Nassätzen oder mittels eines spanenden Bearbeitungsverfahrens, insbesondere mittels Fräsen erfolgt.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht explizit oder per se ausgeschlossen ist oder dem Gedanken der Erfindung widerspricht, die jeweils im Singular genannten Merkmale, insbesondere der Damm oder die Grabenstruktur mehrfach in der erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühleinrichtung vorhanden sein.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend und im Folgenden genannten und erläuterten Merkmale gleichgültig ob sie im Rahmen des Substrats oder des Herstellungsverfahrens beschrieben sind, nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung, oder von jeweiligen Teilen hiervon.
Für sämtliche Figuren gelten die folgenden Richtungsangaben:

• x-Richtung: entspricht der Richtung des Grabens - der Grabenrichtung - von der Kante des Isolierstoffkörpers aus betrachtet. „Längen“ werden parallel zu dieser Richtung bestimmt.
• y-Richtung: entspricht der Senkrechten zur x-Richtung in einer Ebene parallel zur zweiten Hauptebene des Isolierstoffkörpers. „Breiten“ werden parallel zu dieser Richtung bestimmt.
• z-Richtung: entspricht der Normalenrichtung des Isolierstoffkörpers. „Tiefen“ und auch „Dicken“ werden parallel zu dieser Richtung bestimmt.

1 zeigt eine Draufsicht auf ein schematisch dargestelltes erfindungsgemäßes Substrat.
2 zeigt einen Ausschnitt einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats in Draufsicht und zwei zugehörigen Schnittansichten.
3 zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats in Draufsicht und zwei zugehörigen Schnittansichten.
4 zeigt einen Ausschnitt einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats in Draufsicht und zwei zugehörigen Schnittansichten.
5 zeigt einen Ausschnitt einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats in Draufsicht und zwei zugehörigen Schnittansichten.
6 zeigt verschiedene Varianten einer fünften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats in Draufsicht.

1 zeigt eine Draufsicht auf ein schematisch dargestelltes erfindungsgemäßes Substrat 1 für eine leistungselektronische Schaltung, die mittels eines Drucksinterverfahrens hergestellt wird. Derartige Substrate 1 weisen fachüblich einen flächigen Isolierstoffkörper 2, hier ausgebildet aus einer Industriekeramik, beispielhaft und ohne Beschränkung der Allgemeinheit aus Aluminiumoxid. Fachüblich sind insbesondere auch Keramiken aus Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid. Dieser flächige Isolierstoffkörper 2 weist eine Dicke von 300 Mikrometer und eine Fläche von 150 Quadratmillimetern auf.
Auf der ersten Hauptfläche 20 des Isolierstoffkörper 2 sind Metallkaschierungen 3 angeordnet, die ausgebildet sind aus einer Metall- hier einer Kupferschicht. Diese Kupferschicht wird während der Herstellung des Substrats 1 als eine einzige, die gesamte oder nur einen Randbereich aussparende Schicht aufgebracht und anschließend strukturiert. Diese Strukturierung erfolgt bevorzugt mittels nasschemischem Ätzen.
Das dargestellte Substrat 1 ist hier in mehrere Bereiche aufgegliedert. Es weist vier zentrale Bereiche 100 auf, die jeweils eine flächige Metallkaschierung 30 aufweisen und die dafür vorgesehen sind durch zerteilen des Substrat 1 einzelnen Teilsubstrate auszubilden, auf deren nicht sichtbaren, zweiten Hauptfläche Leiterbahnen angeordnet sind, die im Grunde technisch identisch ausgebildet sind wie die Metallkaschierungen 3 der ersten Hauptfläche 20. Diese Leiterbahnen sind dafür ausgebildet mit leistungselektronischen Bauteilen bestückt und elektrisch leitend verbunden zu werden und somit eine fachübliche leistungselektronische Schaltung auszubilden. Als Verfahren für die Ausbildung der elektrisch leitenden Verbindung ist das Drucksinterverfahren hervorragend geeignet.
Zur Vereinzelung der jeweiligen Teilsubstrate wird der Isolierstoffkörper 2 fachüblich, vorzugsweise mittels eines Laserstrahls, an nur teilweise dargestellten Sollbruchlinien 202,204 geschwächt und anschließend gebrochen.
Weiterhin weist die erste Hauptfläche 20 des Isolierstoffkörpers 2 umlaufend um die Metallkaschierungen 30 der der nach der Vereinzelung vorliegenden Teilsubstrate und auch umlaufend auf dem Randbereich erste und zweite Teilkaschierungen 4,5 auf. Diese werden gemeinsam mit den Metallkaschierungen 30 der nach der Vereinzelung vorliegenden Teilsubstrate und auf gleiche Weise erzeugt.
Fachüblich sind jeweils zwei dieser Teilkaschierungen 4,5. Jeweils eine erste und eine zweite Teilkaschierung 4,5 sind durch einen Graben 6 voneinander getrennt. Diese Gräben sind allerdings, wie oben beschrieben im Rahmen eines Drucksinterverfahrens besonders nachteilig.
Rein beispielhaft ist hier eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Damms 7, durch den aus einem Graben 6 in einem Abschnitt ein Restgaben 66 ausgebildet wird, dargestellt. Das Dammmaterial 70 des Damms 7 ist als ein zweites Dammmaterial 74, hier ein Epoxidharz ausgebildet. Weiterhin ist rein beispielhaft eine konusförmige Grabenstruktur 9 zwischen zweit Teilkaschierungen dargestellt.
Grundsätzlich dienen diese Teilkaschierungen 4,5 der Stabilisierung des Substrats 1 während des Verarbeitungsprozesses und sind nur dort unterbrochen oder bilden nur dort Gräben 6 aus, an den der o.g. Laserstrahl auf den Isolierstoffkörper 2 einwirken soll. Andererseits sind die Unterbrechungen bzw. Gräben 6, wie oben beschrieben, nachteilig bei der Drucksinterverbindung, weil das Sinterkissen in die Gräben eindringen kann und dort beschädigt wird.
2 zeigt einen Ausschnitt einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats 1 in Draufsicht, analog zu 1, und zwei zugehörige Schnittansichten entlang der Linien A und B. Dargestellt ist ein Eckabschnitt des Substrats 1 mit einer ersten und einer zweiten Teilkaschierung 4,5. Die erste Teilkaschierung 4 ist an der Schmalseite im Randbereich des Isolierstoffkörpers 2 angeordnet, vgl. 1, während die zweite Teilkaschierung 5 an der Längsseite im Randbereich des Isolierstoffköpers 2 angeordnet ist, vgl. ebenfalls 1. Der sich zwischen den beiden Teilkaschierungen 4,5 somit im Stand der Technik vorhandene Graben 6 ist bei dieser Ausgestaltung teilweise verfüllt und bildet einen Restgraben 66 aus.
Das Dammmaterial 70 hierfür ist ein erstes Dammmaterial 72. Dieses erste Dammmaterial 72 ist identisch mit dem Material der Teilkaschierungen 4,5, wodurch ein vollständiger Graben 6, wie aus dem Stand der Technik bekannt, real niemals ausbildet wurde. Vielmehr wird der Graben 6 bei der Ausbildung der Teilkaschierungen 4,5 nicht vollständig ausgebildet, sondern es bleibt ein Rest der Metall-, hier der Kupferschicht zwischen den beiden Teilkaschierungen 4,5 bestehen, sodass nur ein Restgraben 66 real ausgebildet wird. Beide Teilkaschierungen 4,5 sind somit einstückig mitsamt des ersten Dammmaterials 72 einstückig ausgebildet und miteinander verbunden.
In dieser Ausgestaltung fluchtet die Außenkante 702 des Dammmaterials 70 jeweils unmittelbar mit der angrenzenden Außenkante 402,502 der Metallkaschierung 4,5. In Grabenrichtung 600 betrachte ist somit kein Graben 6, auch kein Restgraben 66 sichtbar. Der Restgraben 66 besteht vielmehr auf der dem Innenbereich zugewandten Seite der Teilkaschierungen 4,5.
In Grabenrichtung 600 betrachtet ist die Querschnittsfläche 800 des Dammmaterials 70,72 identisch mit der lichten Querschnittsfläche 820 des Grabens 6, bzw. Restgrabens 66. Also ist auch die Dicke des ersten Dammmaterials 72 identisch der Dicke beider angrenzender Teilkaschierungen 4,5. Weiterhin beträgt in Grabenrichtung 600 betrachtet die Länge 802 des Dammmaterials 70 mindestens 50% der lichten Tiefe 824 des Grabens 6 bzw. Restgrabens 66. Bei einer lichten Tiefe des Grabens 6, die der Dicke der Kupferschicht der Metallkaschierungen 3 und somit auch der Teilkaschierungen 4,5 entspricht, die in dieser Ausgestaltung 400 Mikrometern beträgt, muss somit die Länge 802 des ersten Dammmaterials 72 mindestens 200 Mikrometer betragen. Um bei der oben beschriebenen Laserbearbeitung der ersten Hauptfläche 20 des Isolierstoffkörpers 2 nicht unnötig nachteilig zu sein, beträgt die Länge 802 des ersten Dammmaterials 72 hier 30% der Länge 822 des Grabens 6, die hier von der Außenkante 702 bis zum Ende des Restgrabens 66 reicht und bei dieser Ausgestaltung 1,8 Millimeter beträgt. Die Länge 802 des Dammmaterials 72 ergibt sich somit zu 0,6 Millimeter. Noch geringere Längen 802 sind selbstverständlich vorteilhaft. Es muss dabei nur sichergestellt sein, dass das Dammmaterial 70,72 bei der Druckbeaufschlagung im Rahmen der Drucksinterverbindung nicht signifikant deformiert wird und damit wiederum eine Beschädigung des Sinterkissens einherginge.
3 zeigt einen Ausschnitt einer zweiten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats 1 in Draufsicht und zwei zugehörige Schnittansichten entlang der Linien A und B. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von derjenigen gemäß 2 einerseits dadurch, dass das Dammmaterial 70 hier ein zweites Dammmaterial 74, genauer ein Epoxidharz ist, das nach der Strukturierung der flächigen Metallkaschierung 3 und der damit verbundenen Ausbildung der ersten und zweiten Teilkaschierungen 4,5 in den entstanden durchgehenden Graben 6 gefüllt wurde. Das zweite Dammmaterial 74 füllt hierbei den Graben 6 bezüglich seiner Tiefe 824 auch nicht vollständig, sodass die maximale Querschnittsfläche 800 des Dammmaterials hier 70% der lichten Querschnittsfläche 820 des Grabens 6 beträgt. Betrachtet wird hier die maximale Querschnittsfläche, also derjenige Abschnitt des zweiten Dammmaterials 70,74, der den größten Querschnitt aufweist. Dieser Abschnitt liegt in Grabenrichtung 600 betrachtet in der Mitte des mit dem zweiten Dammmaterial 74 gefüllten Grabenabschnitts. Davor oder dahinter ist die Querschnittsfläche technisch - durch das Füllen mit dem Epoxidharz - bedingt natürlich geringer.
Andererseits unterscheidet sich diese Ausgestaltung von derjenigen gemäß 2 dadurch, dass die Außenkante 702 des Dammmaterials 70,74 nicht mit den jeweils gegenüber angrenzenden Außenkanten 402,502 der ersten und zweiten Teilkaschierung 4,5 fluchtet. Vielmehr ist die Außenkante 702 des Dammmaterials 70,74 jeweils gegenüber der angrenzenden Außenkante 402,502 der ersten und zweiten Teilkaschierung 4,5 um das 5-fache der lichten Tiefe 824 des Grabens 6 in den Graben 6 hinein zurückversetzt.
4 zeigt einen Ausschnitt einer dritten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats 1 in Draufsicht und zwei zugehörige Schnittansichten entlang der Linien A und B. Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 2 sind hier die erste und zweite Teilkaschierung 4,5 an einer gemeinsamen Längsseite des Substrats 1 angeordnet. Die sonstige Ausgestaltung der ersten Teilkaschierung 4, des ersten Dammmaterials 72 und der zweiten Teilkaschierung 5 sind hier gleich derjenigen gemäß 2.
Weiterhin ist hier und im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik eine dem Graben 6 benachbarte jeweilige Außenkante 402,502 der Metallkaschierungen 4,5 gegenüber der zugeordneten Außenkante 22 des Isolierstoffkörpers 2 nur um das 3-fache der Dicke 824 der Teilkaschierungen 4,5 zurückversetzt. Dies verhindert insgesamt eine signifikante Hinterschneidung des Substrats 1 durch das Sinterkissen bei einem Sintervorgang im Rahmen eines Drucksinterverfahrens.
5 zeigt einen Ausschnitt einer vierten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats 1 in Draufsicht und zwei zugehörige Schnittansichten entlang der Linien A und B. Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 3 sind hier die erste und zweite Teilkaschierung 4,5 an einer gemeinsamen Längsseite des Substrats 1 angeordnet, die dem Graben 6 benachbarte jeweilige Außenkante 402,502 der ersten und zweiten Teilkaschierungen 4,5 fluchtet somit mit der zugeordneten Außenkante 22 des Isolierstoffkörpers 2. Die sonstige Ausgestaltung der ersten Teilkaschierung 4 und der zweiten Teilkaschierung 5 sind hier gleich derjenigen gemäß 2, wobei allerdings die dem Graben 6 benachbarte, hier sogar die gesamte, jeweilige Außenkante 402,502 der ersten und zweiten Teilkaschierungen 4,5 mit der zugeordneten Außenkante 22 des Isolierstoffkörpers fluchtet. Dies verhindert vollständig die Hinterschneidung des Substrats 1 durch das Sinterkissen im Bereich der ersten und zweiten Teilkaschierungen 4,5 bei einem Sintervorgang.
Das zweite Dammmaterial 74 ist hier ausgebildet als ein Silkonkautschuk, der eine tropfenähnliche Querschnittsfläche 800 ausbildet.
Eine ideale Lösung für die Ausgestaltung der ersten und zweiten Teilkaschierungen 4,5 und des Dammmaterials 70 ergibt sich somit, wenn sowohl die Außenkante 702 des Dammmaterials 70, wie auch die Außenkanten 402,502 der ersten und zweiten Teilkaschierungen 4,5 mit der zugeordneten Außenkante 22 des Isolierstoffkörpers 2 fluchten. Somit wird jegliche Hinterschneidung des Substrats 1 durch das Sinterkissen bei einem Sintervorgang verhindert.
6 zeigt verschiedene Varianten einer fünften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Substrats 1 in Draufsicht. Dargestellt sind sieben Varianten eines Grabens 6 zwischen zwei benachbarten Teilkaschierungen. Die erste Variante I zeigt den Stand der Technik, also einen Graben 6, dessen Querschnittsfläche sich über seine gesamte Länge nicht verändert und insbesondere rechteckigen ausgebildet ist, wodurch die lichte Durchgangsfläche 810 identisch ist mit der lichten Querschnittsfläche 820. Diese Ausgestaltung wird erfindungsgemäß weitergebildet in den Varianten II bis VII, wobei mindestens eine Seitenfläche des Grabens 6 in Grabenrichtung 600 und insbesondere in der Projektion auf die erste Hauptfläche 20 des Isolierstoffköpers 2, betrachtet keinen geradlinigen Verlauf aufweist.
Variante II zeigt einen bogenförmigen Verlauf, der auch S-förmig weitergebildet sein kann, wobei hier die jeweiligen einzelnen Teilkrümmungsradien beliebig ausgebildet sein können. Der Grabeneingang 610 und der Grabenausgang 620 fluchten hierbei in Grabenrichtung 600 betrachtet. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich die lichte Durchgangsfläche 810 zu Null, da der Einzug der unteren Seite des Grabens 6 senkrecht zur Grabenrichtung 600 größer ausgebildet ist als die Breite des Grabens 6 am Grabeneingang 610.
Variante III zeigt einen gekrümmten Verlauf des Grabens 6, der dadurch ausgebildet wird, dass der Grabeneingang 610 und der Grabenausgang 620 hierbei in Grabenrichtung 600 betrachtet nicht zueinander fluchten, vielmehr sind der Grabeneingang 610 und der Grabenausgang 620 sogar um mehr als die Grabenbreite senkrecht zur Grabenrichtung 600 zueinander versetzt. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich die lichte Durchgangsfläche 810 wiederum zu Null.
Variante IV zeigt einen konusförmigen Verlauf des Grabens 6, der in Grabenrichtung 600 auseinanderläuft. Das Zentrum des Grabeneingangs 610 und das Zentrum des Grabenausgangs 620 fluchten hierbei zueinander. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich eine lichte Durchgangsfläche 810, die hier am Grabeneingang 610 vorliegt, die kleiner ist als die Hälfte der lichten Querschnittsfläche 820, die hier insbesondere am Grabenausgang 620 vorliegt.
Variante V zeigt einen Verlauf des Grabens 6 mit zwei senkrecht zur Grabenrichtung 600 betrachtet gegenüberliegend angeordneten Einzügen. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich ebenfalls eine lichte Durchgangsfläche 810, die kleiner ist als die Hälfte der lichten Querschnittsfläche 820. Grundsätzlich können derartige Einzüge alternativ oder zusätzlich zur hier beschriebenen Ausgestaltung auch mittels eines partiell eingebrachten Dammmaterials 70, vergleichbar dem zu 3 und 5 beschriebenen Damm 7, ausgebildet werden. Hierbei würde im Bereich der Einzüge das Dammmaterial 70 den zugeordneten Abschnitt der ersten Hauptfläche des Isolierstoffkörpers vollständig, sondern nur im Randbereich des Grabens, bedecken.
Variante VI zeigt einen Verlauf des Grabens 6 mit einer Mehrzahl sich senkrecht zur Grabenrichtung 600 betrachtet nicht gegenüberliegend angeordneten Einzügen. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich wiederum eine lichte Durchgangsfläche 810, die kleiner ist als die Hälfte der lichten Querschnittsfläche 820.
Variante V zeigt einen Graben 6, mit einer sehr einfachen Ausgestaltung eines mäanderförmigen Verlaufs. Die Mäanderstruktur kann selbstverständlich auch komplexer ausgebildet sein. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich eine lichte Durchgangsfläche 810 von einem Drittel der lichten Querschnittsfläche 820.
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 4319944 A1 [0002]
EP 0330895 A2 [0003]

Claims

Substrat (1) für eine leistungselektronische Schaltung mit einem flächigen Isolierstoffkörper (2) und mit auf dessen zweiter Hauptfläche (20) angeordneten flächigen metallischen Leiterbahnen und mit auf dessen erster Hauptfläche (20) angeordneten flächigen Metallkaschierungen (3), wobei eine erste Teilkaschierung (4) und eine zweite Teilkaschierung (5) davon an oder benachbart zu einer Außenkante (22) des Isolierstoffkörpers (2) angeordnet sind und wobei beide Teilkaschierungen (4,5) durch einen vorzugsweise bis auf die erste Hauptfläche (20) reichenden Graben (6) zumindest teilweise voneinander getrennt sind und wobei der Graben (6) entweder einen Damm (7) aufweist, wobei der Graben (6) teilweise mit einem Dammmaterial (70) verfüllt ist, somit ein Restgraben (66) erhalten bleibt, wobei die Ausgestaltung des Dammmaterials (70) folgende Bedingungen erfüllt: • in Grabenrichtung (600) betrachtet betragt die maximale Querschnittsfläche (800) des Dammmaterials mindestens 30% der lichten Querschnittsfläche (820) des Grabens (6); • in Grabenrichtung (600) betrachtet beträgt die Länge (802) des Dammmaterials (70) mindestens 50% der lichten Tiefe (824) des Grabens (6); oder eine Grabenstruktur (9) aufweist, bei der der Graben (6) keine oder eine lichte Durchgangsfläche (810) von maximale 50% der maximalen Querschnittsfläche (800) aufweist oder eine Mischform aus Damm (7) und Grabenstruktur (9) aufweist.
Substrat (1) nach Anspruch 1, wobei das Dammmaterial(70) als ein erstes Dammmaterial (72) ausgebildet ist, das identisch mit dem Material der ersten und zweiten Teilkaschierungen (4,5) ausgebildet ist und vorteilhafterweise die beiden Teilkaschierungen (4,5) und das erste Dammmaterial (72) einstückig ausgebildet sind.
Substrat (1) nach Anspruch 1, wobei das Dammmaterial (70) als ein zweites Dammmaterial (74) ausgebildet ist, das vom Material der ersten und zweiten, voneinander vollständig getrennten, Teilkaschierungen (4,5) unterschiedlich und entweder metallisch oder nichtmetallisch, vorzugsweise als Kunststoff, ausgebildet ist.
Substrat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die maximale Querschnittsfläche (800) mindestens 50%, insbesondere mindestens 80%, oder 100% der lichten Querschnittsfläche (820) des Grabens (6) beträgt.
Substrat (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Grabenrichtung (600) betrachtet beträgt die Länge (802) des Dammmaterials (70) maximal 50%, vorzugsweise maximal 30%, der Länge (822) des Grabens (6).
Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Außenkante (702) des Dammmaterials (70) jeweils unmittelbar mit der angrenzenden Außenkante (402,502) der ersten und zweiten Teilkaschierung (4,5) fluchtet.
Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Außenkante (702) des Dammmaterials (70) jeweils gegenüber der angrenzenden Außenkante (402,502) der beiden Teilkaschierung (4,5) maximal um das 10-fache der lichten Tiefe (824) des Grabens (6) in den Graben (6) hinein zurückversetzt ist.
Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine dem Graben (6) benachbarte jeweilige Außenkante (402,502) der beiden Teilkaschierungen (4,5) mit der zugeordneten Außenkante (22) des Isolierstoffkörpers (2) fluchtet.
Substrat (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine dem Graben (6) benachbarte jeweilige Außenkante (402,502) der beiden Teilkaschierungen (4,5) gegenüber der zugeordneten Außenkante (22) des Isolierstoffkörpers (2) maximal um das 10-fache, insbesondere maximal um das 5-fache der Dicke (824) der beiden Teilkaschierungen (4,5) zurückversetzt ist.
Substrat (1) nach Anspruch 1, wobei die Grabenstruktur (9) ausgewählt ist aus einer oder einer Kombination der folgenden Teilstrukturen: A) Teilstruktur mit mäanderförmigem Verlauf; B) Teilstruktur mit bogen- oder S-förmige Verlauf; C) Teilstruktur mit einem oder einer Mehrzahl von lokalen Einzügen; D) Teilstruktur mit einem konusförmigen Verlauf.
Substrat (1) nach Anspruch 1 oder 10, wobei die Grabenstruktur 9 durch Strukturierung mindestens einer der beiden Teilkaschierungen (4,5) der Metallkaschierung (3) ausgebildet wurde.
Substrat (1) nach Anspruch 1,10 oder 11, wobei die Grabenstruktur (9) durchgehend eine Tiefe aufweist, die der Dicke (824) der Teilkaschierung (4,5) entspricht.
Verfahren zur Herstellung eines Substrats (1) nach Anspruch 2 mit folgenden aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten: • Bereitstellen eines Vorsubstrats mit einem flächigen Isolierstoffkörper (2) und mit auf dessen erster Hauptfläche (20) angeordneter flächiger Metallkaschierung (3); • Strukturieren der Metallkaschierung (3) wobei umlaufend auf einem Randabschnitt (24) des Isolierstoffkörper (2) eine Randkaschierung entsteht, die an mindestens einer Stelle einen Restgraben (66) aufweist und die einen Abschnitt aufweist, der gebildet wird durch eine erste Teilkaschierung (4), die einstückig in ein erstes Dammmaterial (72) übergeht, das wiederum einstückig in eine zweite Teilkaschierung (5) übergeht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Strukturieren mittels Nassätzen oder mittels eines spanenden Bearbeitungsverfahrens, insbesondere mittels Fräsen erfolgt.