DE102022113636A1 - Electrical module - Google Patents

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Uwe Waltrich
Stanley BUCHERT
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Modul (1), das aufweist: einen keramischen Schaltungsträger (2), der eine isolierende Keramikschicht (21) und eine auf der Oberseite der Keramikschicht (21) angeordnete erste Metallisierungsschicht (22) aufweist, ein elektrisches Bauteil (3), das auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht (22) angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist, und eine Oberseite (11) des elektrischen Moduls (1), die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, an einer Leiterplatte (4) angeordnet zu werden, wobei das elektrische Modul (1) an seiner Oberseite (11) elektrische Kontakte (51-53) ausbildet. Dabei umfassen die elektrischen Kontakte (51-53) des Moduls (1) mindestens eine erste Durchkontaktierung (510), die sich von der Oberseite (11) bis zu der ersten Metallisierungsschicht (22) erstreckt. Es ist vorgesehen, dass die erste Metallisierungsschicht (22) in einem ersten Bereich (220), in dem die erste Durchkontaktierung (51) die erste Metallisierungsschicht (22) kontaktiert, eine größere Dicke aufweist als in einem zweiten Bereich (221), in dem das elektrische Bauteil (3) auf der ersten Metallisierungsschicht (22) angeordnet ist.The invention relates to an electrical module (1), which has: a ceramic circuit carrier (2), which has an insulating ceramic layer (21) and a first metallization layer (22) arranged on the top of the ceramic layer (21), an electrical component (3 ), which is arranged on the top side of the first metallization layer (22) and is electrically connected to it, and a top side (11) of the electrical module (1), which is intended and designed to be arranged on a circuit board (4), wherein the electrical module (1) forms electrical contacts (51-53) on its top side (11). The electrical contacts (51-53) of the module (1) comprise at least one first plated-through hole (510), which extends from the top (11) to the first metallization layer (22). It is envisaged that the first metallization layer (22) has a greater thickness in a first region (220) in which the first via (51) contacts the first metallization layer (22) than in a second region (221) in which the electrical component (3) is arranged on the first metallization layer (22).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Modul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Moduls.The invention relates to an electrical module according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing such an electrical module.

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 auf dem keramischen Schaltungsträger angeordneten Halbleiterbauelements zum Kühlkörper und gleichzeitig der thermischen Anbindung an den Kühlkörper. Der keramische Schaltungsträger bildet dabei zusammen mit dem Halbleiterbauelement und einer Umhüllung z.B. aus Vergussmaterial ein elektrisches Modul, das über an seiner Oberfläche ausgebildete Kontakte mit einer Trägerplatine verbindbar ist.Ceramic circuit carriers are known in which a metallization layer at high voltage potential is formed on an insulating ceramic layer, which is coupled to a heat sink directly or via further layers. An example of such a circuit carrier are so-called DBC substrates (DBC = “Direct Bonded Copper”). Such ceramic circuit carriers serve to electrically insulate a semiconductor component arranged on the ceramic circuit carrier from the heat sink and at the same time provide the thermal connection to the heat sink. The ceramic circuit carrier, together with the semiconductor component and a casing, for example made of potting material, forms an electrical module that can be connected to a carrier board via contacts formed on its surface.

Bei derartigen elektrischen Modulen verhält es sich so, dass die erforderliche Durchkontaktierung für einen elektrischen Kontakt von der Oberseite des elektrischen Moduls zu der auf der Keramikschicht ausgebildeten Metallisierungsschicht notwendigerweise eine substantielle Länge bzw. Bohrungstiefe aufweist, da die Durchkontaktierung sich mindestens über die Dicke des Halbleiterbauelements erstrecken muss. Aufgrund ihrer substantiellen Länge ist es in der Regel nicht möglich, die Durchkontaktierung vollständig aufzukupfern. Dies ist nachteilig, da in nachfolgenden Prozessen wie einem Reflow-Löten oder Underfill-Prozess in die Durchkontaktierung undefiniert Lot- oder Underfillmaterial eindringen kann.In the case of such electrical modules, the through-hole required for electrical contact from the top of the electrical module to the metallization layer formed on the ceramic layer necessarily has a substantial length or hole depth, since the through-hole extends at least over the thickness of the semiconductor component must. Due to its substantial length, it is usually not possible to completely copper-plate the via. This is disadvantageous because undefined solder or underfill material can penetrate the through-hole in subsequent processes such as reflow soldering or underfill processes.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Modul bereitzustellen, das mit Durchkontaktierungen versehen ist, die vor Verschmutzungen geschützt sind. Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Moduls bereitgestellt werden.The invention is therefore based on the object of providing an electrical module that is provided with plated-through holes that are protected from contamination. Furthermore, a method for producing such an electrical module is to be provided.

Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an electrical module with the features of claim 1 and a method with the features of claim 15. Embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Danach betrachtet die Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt ein elektrisches Modul, das einen keramischen Schaltungsträger aufweist, der eine isolierende Keramikschicht und eine auf der Oberseite der Keramikschicht angeordnete erste Metallisierungsschicht umfasst. Das Modul weist des Weiteren ein elektrisches Bauteil auf, das auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist. Dabei ist eine Oberseite des elektrischen Moduls dazu vorgesehen und ausgebildet, an einer Leiterplatte angeordnet zu werden, wobei das elektrische Modul an seiner Oberseite elektrische Kontakte ausbildet, die dazu vorgesehen und ausgebildet, mit zugeordneten elektrischen Kontakten der Leiterplatte in Kontakt zu treten. Die elektrischen Kontakte des Moduls umfassen dabei mindestens eine erste Durchkontaktierung, die sich von der Oberseite bis zu der ersten Metallisierungsschicht erstreckt.The invention then considers, in a first aspect of the invention, an electrical module that has a ceramic circuit carrier that includes an insulating ceramic layer and a first metallization layer arranged on the top side of the ceramic layer. The module further has an electrical component which is arranged on the top side of the first metallization layer and is electrically connected to it. An upper side of the electrical module is intended and designed to be arranged on a circuit board, with the electrical module forming electrical contacts on its upper side, which are intended and designed to come into contact with associated electrical contacts of the circuit board. The electrical contacts of the module include at least a first through-hole that extends from the top to the first metallization layer.

Es ist vorgesehen, dass die erste Metallisierungsschicht in einem ersten Bereich, in dem die erste Durchkontaktierung die erste Metallisierungsschicht kontaktiert, eine größere Dicke aufweist als in einem zweiten Bereich, in dem das elektrische Bauteil auf der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist.It is envisaged that the first metallization layer has a greater thickness in a first region in which the first via contacts the first metallization layer than in a second region in which the electrical component is arranged on the first metallization layer.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, den keramischen Schaltungsträger mit einer Metallisierungsschicht zu versehen, die unterschiedliche Dicken ausbildet, wobei die Metallisierungsschicht in dem Bereich, in dem die erste Durchkontaktierung ausgebildet ist, eine größere Dicke aufweist als in dem Bereich, in dem das elektrische Bauteil auf der Metallisierungsschicht angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, die Länge bzw. Bohrungstiefe der Durchkontaktierung, die sich bis zur ersten Metallisierungsschicht erstreckt, im Vergleich zu einer Situation, in der die Metallisierungsschicht eine konstante Dicke aufweist, zu reduzieren. Dies wiederum erlaubt es, die Durchkontaktierung z.B. mittels eines Laserprozesses durchzuführen und die erzeugte Durchkontaktierung aufzukupfern, so dass ein undefiniertes Eindringen von Material in die Durchkontaktierung verhindert werden kann. Auch kann durch das vollständige Aufkupfern der Durchkontaktierung eine plane Oberfläche der Durchkontaktierung bereitgestellt werden, so dass Löcher in der Oberfläche, die zu Problemen beim Löten führen könnten, verhindert werden.The invention is based on the idea of providing the ceramic circuit carrier with a metallization layer that forms different thicknesses, the metallization layer having a greater thickness in the area in which the first plated-through hole is formed than in the area in which the electrical component is arranged on the metallization layer. This makes it possible to reduce the length or hole depth of the via, which extends to the first metallization layer, compared to a situation in which the metallization layer has a constant thickness. This in turn allows the through-plating to be carried out using a laser process, for example, and to copper-plate the through-plating created so that undefined penetration of material into the through-plating can be prevented. The complete copper plating of the via can also provide a flat surface of the via, so that holes in the surface, which could lead to problems when soldering, are prevented.

Durch die nicht konstante Dicke der Metallisierungsschicht ist der keramische Schaltungsträger insgesamt als Stufensubstrat ausgebildet, das im Hinblick auf die erforderliche Bohrungstiefe der Durchkontaktierungen zur Metallisierungsschicht die Höhe des elektrischen Bauelements ausgleicht.Due to the non-constant thickness of the metallization layer, the ceramic circuit carrier is designed overall as a step substrate, which compensates for the height of the electrical component with regard to the required hole depth of the vias to the metallization layer.

Ein weiterer, mit der erfindungsgemäßen Lösung verbundener Vorteil besteht darin, dass durch die Reduktion der Länge der ersten Durchkontaktierung auch deren Durchmesser reduziert ist. Denn die Bohrungstiefe und der Bohrungsdurchmesser einer Durchkontaktierung stehen in einem gewissen Mindestverhältnis. Durch die Reduktion des Durchmessers der ersten Durchkontaktierung wird der Platzbedarf für die erste Durchkontaktierung sowohl auf der Oberfläche des Moduls als auch auf der ersten Metallisierungsschicht reduziert, so dass die Ausmaße des Moduls reduziert werden können.Another advantage associated with the solution according to the invention is that by reducing the length of the first plated-through hole, its diameter is also reduced. The hole depth and the hole diameter of a plated-through hole have a certain minimum ratio. By reducing the diameter of the first via the space requirement for the first plated-through hole is reduced both on the surface of the module and on the first metallization layer, so that the dimensions of the module can be reduced.

Auch ist vorteilhaft, dass die erreichte Reduktion der Länge der ersten Durchkontaktierung ohne zusätzlichen Fertigungsaufwand, insbesondere ohne zusätzliche Fertigungsschritte und ohne zusätzliche Komponenten wie Spacer oder dergleichen erreicht werden kann. Außerdem wird durch die kleineren ersten Durchkontaktierungen eine erhöhte Flexibilität im Design des Moduls ermöglicht.It is also advantageous that the achieved reduction in the length of the first plated-through hole can be achieved without additional manufacturing effort, in particular without additional manufacturing steps and without additional components such as spacers or the like. In addition, the smaller first plated-through holes allow increased flexibility in the design of the module.

Es wird darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung stets diejenige Seite der Keramikschicht, auf der über die erste Metallisierungsschicht das elektrische Bauteil angeordnet ist, als Oberseite der Keramikschicht bezeichnet wird. Dementsprechend ist die Unterseite des elektrischen Bauteils diejenige Seite des elektrischen Bauteils, die auf der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist und ist die Oberseite des elektrischen Bauteils diejenige Seite des elektrischen Bauteils, die der ersten Metallisierungsschicht abgewandt ist. Natürlich können die Keramikschicht, die erste Metallisierungsschicht und das elektrische Bauteil auch umgedreht oder senkrecht angeordnet werden, wobei das elektrische Bauteil nach unten oder zur Seite zeigt, für welchen Fall im Sinne der vorliegenden Erfindung das elektrische Bauteil weiterhin an der Oberseite der Keramikschicht und der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist.It should be noted that, for the purposes of the present invention, that side of the ceramic layer on which the electrical component is arranged over the first metallization layer is always referred to as the top side of the ceramic layer. Accordingly, the underside of the electrical component is the side of the electrical component that is arranged on the first metallization layer and the top of the electrical component is the side of the electrical component that faces away from the first metallization layer. Of course, the ceramic layer, the first metallization layer and the electrical component can also be turned upside down or arranged vertically, with the electrical component pointing downwards or to the side, in which case in the sense of the present invention the electrical component continues to be on the top of the ceramic layer and the first Metallization layer is arranged.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Metallisierungsschicht in dem ersten Bereich eine Dicke derart aufweist, dass die Oberseite der ersten Metallisierungsschicht sich in der gleichen Ebene bzw. auf der gleichen Höhe befindet wie die Oberseite des elektrischen Bauteils. Die erste Metallisierungsschicht gleicht in ihrem dickeren ersten Bereich die Dicke bzw. Höhe des elektrischen Bauteils somit gerade aus. Damit kann vorgesehen werden, dass sämtliche Durchkontaktierungen des elektrischen Moduls, nämlich die ersten Durchkontaktierungen zur ersten Metallisierungsschicht auf der Keramikschicht und zweite Durchkontaktierungen zur Oberseite des elektrischen Bauteils die gleiche Länge aufweisen und in gleicher Weise ausgebildet sein können.One embodiment of the invention provides that the first metallization layer in the first region has a thickness such that the top side of the first metallization layer is in the same plane or at the same height as the top side of the electrical component. The first metallization layer thus just compensates for the thickness or height of the electrical component in its thicker first region. It can thus be provided that all through-holes of the electrical module, namely the first through-holes to the first metallization layer on the ceramic layer and second through-holes to the top of the electrical component, have the same length and can be designed in the same way.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Metallisierungsschicht in dem ersten Bereich eine Stufe ausbildet, wobei die erste Metallisierungsschicht im Bereich der Stufe eine erhöhte Dicke aufweist. Gemäß dieser Ausgestaltung bildet die Metallisierungsschicht somit eine Stufe aus, in der sie eine größere Dicke aufweist, während die Metallisierungsschicht im zweiten Bereich außerhalb der Stufe eine demgegenüber geringere Dicke aufweist.One embodiment of the invention provides that the first metallization layer forms a step in the first region, the first metallization layer having an increased thickness in the region of the step. According to this embodiment, the metallization layer thus forms a step in which it has a greater thickness, while the metallization layer in the second region outside the step has a comparatively smaller thickness.

Eine alternative Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die erste Metallisierungsschicht in dem zweiten Bereich, in dem das elektrische Bauteil auf der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist, eine Kavität ausbildet, wobei die erste Metallisierungsschicht im Bereich der Kavität eine reduzierte Dicke aufweist (im Vergleich zur Dicke im ersten Bereich). Gemäß dieser Ausgestaltung bildet die erste Metallisierungsschicht in einer Kavität einen Bereich geringerer Dicke aus.An alternative embodiment of this provides that the first metallization layer forms a cavity in the second region in which the electrical component is arranged on the first metallization layer, the first metallization layer having a reduced thickness in the region of the cavity (compared to the thickness in first area). According to this embodiment, the first metallization layer forms a region of smaller thickness in a cavity.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die elektrischen Kontakte des Moduls des Weiteren mindestens eine zweite Durchkontaktierung umfassen, die sich von der Oberseite des Moduls bis zur Oberseite des elektrischen Bauteils erstreckt. Dabei ist vorgesehen, dass die Oberseite des elektrischen Bauteils metallisiert ist, so dass die zweite Durchkontaktierung die metallisierte Oberseite des elektrischen Bauteils kontaktiert. A further embodiment of the invention provides that the electrical contacts of the module further comprise at least one second via which extends from the top of the module to the top of the electrical component. It is provided that the top side of the electrical component is metallized, so that the second plated-through contacts the metallized top side of the electrical component.

Es wird darauf hingewiesen, dass auch die Unterseite des elektrischen Bauteils metallisiert sein kann, wobei das elektrische Bauteil mit seiner metallisierten Unterseite auf der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist.It should be noted that the underside of the electrical component can also be metallized, with the electrical component being arranged with its metallized underside on the first metallization layer.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der keramische Schaltungsträger des Weiteren eine auf der Unterseite der Keramikschicht angeordnete zweite Metallisierungsschicht aufweist. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass das elektrische Modul mit der zweiten Metallisierungsschicht auf einem Kühlkörper angeordnet ist. Eine solche zweite Metallisierungsschicht ist jedoch optional und das elektrische Modul kann grundsätzlich auch mit seiner Keramikschicht auf einem Kühlkörper angeordnet sein. In beiden Fällen kann zwischen dem elektrischen Modul und dem Kühlkörper eine Wärmeleitmatte oder allgemein ein thermisches Schnittstellenmaterial (TIM = „thermal interface material“) angeordnet sein, das Verkippungen und Unebenheiten ausgleicht.One embodiment provides that the ceramic circuit carrier further has a second metallization layer arranged on the underside of the ceramic layer. It can further be provided that the electrical module with the second metallization layer is arranged on a heat sink. However, such a second metallization layer is optional and the electrical module can in principle also be arranged with its ceramic layer on a heat sink. In both cases, a heat-conducting mat or generally a thermal interface material (TIM = “thermal interface material”) can be arranged between the electrical module and the heat sink, which compensates for tilting and unevenness.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der keramischen Schaltungsträger und das elektrische Bauteil in ein Substrat eingebettet sind. Bei dem Substrat kann es sich um eine Leiterplatte handeln (sogenanntes Leiterplattenembedding). Dabei werden die genannten Komponenten in die Aufbaulagen einer Leiterplatte integriert. Die Leiterplatte definiert dabei die Oberseite und die geometrischen Ausmaße des elektrischen Moduls. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu verstehen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der keramische Schaltungsträger und das elektrische Bauteil mit einer Vergussmasse vergossen sind, wobei in diesem Fall die Vergussmasse das Substrat bildet und die Oberseite und die geometrischen Ausmaße des elektrischen Moduls definiert.A further embodiment provides that the ceramic circuit carrier and the electrical component are embedded in a substrate. The substrate can be a circuit board (so-called circuit board embedding). The components mentioned are integrated into the structural layers of a circuit board. The circuit board defines the top and the geometric dimensions of the electrical module. However, this is only to be understood as an example. Alternatively, it can be provided that the ceramic circuit carrier and the electrical component are cast with a casting compound, in which case the casting mass forms the substrate and defines the top and the geometric dimensions of the electrical module.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die erste Durchkontaktierung und/oder die zweite Durchkontaktierung jeweils durch ein Mikrovia bereitgestellt ist. Auf diese Weise lassen sich die Durchkontaktierungen effektiv mittels Laser bereitstellen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Mikrovias über einen Aufkupferungsprozess vollständig mit Metall gefüllt sind, so dass nicht die Gefahr von Verunreinigungen besteht und eine plane Oberfläche sichergestellt werden kann.A further embodiment provides that the first via and/or the second via is each provided by a microvia. In this way, the vias can be effectively provided using a laser. It can be provided that the microvias are completely filled with metal using a copper plating process so that there is no risk of contamination and a flat surface can be ensured.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass über die mindestens eine erste Durchkontaktierung ein Unterseitenpotenzial des elektrischen Bauteils und über die mindestens eine zweite Durchkontaktierung mindestens ein Oberseitenpotenzial des elektrischen Bauteils bereitstellbar ist. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass über mehrere zweite Durchkontaktierungen zwei Oberseitenpotenziale des elektrischen Bauteils bereitgestellt werden. Bei dem Unterseitenpotenzial handelt es sich beispielsweise um das Potenzial eines Drain-Anschlusses. Bei den Oberseitenpotenzialen handelt sich beispielsweise um die Potenziale eines Source-Anschlusses und eines Gate-Anschlusses. Das elektrische Bauteil ist dabei beispielsweise ein Leistungstransistor oder ein anderer Leistungshalbleiter. Es handelt sich beispielsweise um ein Element eines Wechselrichters eines elektrischen Motors.A further embodiment provides that a bottom side potential of the electrical component can be provided via the at least one first through-hole and at least one top potential of the electrical component can be provided via the at least one second through-hole. In particular, it can be provided that two top potentials of the electrical component are provided via several second plated-through holes. The underside potential is, for example, the potential of a drain connection. The top potentials are, for example, the potentials of a source connection and a gate connection. The electrical component is, for example, a power transistor or another power semiconductor. It is, for example, an element of an inverter of an electric motor.

Die erste Metallisierungsschicht kann als Schaltungsträger strukturiert sein und einen elektrischen Schaltkreis bilden.The first metallization layer can be structured as a circuit carrier and form an electrical circuit.

Die erste Metallisierungsschicht ist in Ausführungsbeispielen durch Kupfer, Aluminium, Silber oder Wolfram gebildet. Gleiches gilt für die zweite Metallisierungsschicht.In exemplary embodiments, the first metallization layer is formed by copper, aluminum, silver or tungsten. The same applies to the second metallization layer.

In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Moduls. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Bereitstellen einer isolierenden Keramikschicht,
  • - Aufbringen einer ersten Metallisierungsschicht mit konstanter Dicke auf die Keramikschicht
  • - Reduzieren der Dicke der ersten Metallisierungsschicht in einem Teilbereich durch Ätzen, wobei die erste Metallisierungsschicht einen ersten Bereich bildet, in dem die erste Metallisierungsschicht eine größere Dicke aufweist, und einen zweiten Bereich bildet, in dem die erste Metallisierungsschicht eine geringere Dicke aufweist,
  • - Anordnen eines elektrischen Bauteils auf der ersten Metallisierungsschicht im zweiten Bereich der ersten Metallisierungsschicht,
  • - Anordnen der Keramikschicht, der ersten Metallisierungsschicht und des elektrischen Bauteils in einer Ummantelung, die eine Oberseite aufweist,
  • - Einbringen mindestens einer ersten Durchkontaktierung, die sich von der Oberseite zur ersten Metallisierungsschicht erstreckt, und
  • - Einbringen mindestens einer zweiten Durchkontaktierung, die sich von der Oberseite zu einer Oberseite des elektrischen Bauteils erstreckt.
In a further aspect of the invention, the present invention relates to a method for producing an electrical module. The procedure includes the steps:
  • - Providing an insulating ceramic layer,
  • - Applying a first metallization layer with a constant thickness to the ceramic layer
  • - reducing the thickness of the first metallization layer in a partial area by etching, the first metallization layer forming a first area in which the first metallization layer has a greater thickness and forming a second area in which the first metallization layer has a smaller thickness,
  • - Arranging an electrical component on the first metallization layer in the second region of the first metallization layer,
  • - arranging the ceramic layer, the first metallization layer and the electrical component in a casing that has an upper side,
  • - Introducing at least one first through-hole that extends from the top to the first metallization layer, and
  • - Introducing at least one second through-hole that extends from the top to a top of the electrical component.

Dabei kann für den Schritt des Aufbringens einer ersten Metallisierungsschicht auf die Keramikschicht auf an sich bekannte Verfahren zurückgegriffen werden. Solche umfassen die Herstellung von DBC-Substraten (DBC = „Direct Bonded Copper“) oder die Herstellung von AMB-Substraten (AMB = „Active Metal Braze“).For the step of applying a first metallization layer to the ceramic layer, methods known per se can be used. These include the production of DBC substrates (DBC = “Direct Bonded Copper”) or the production of AMB substrates (AMB = “Active Metal Braze”).

Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die erste Metallisierungsschicht im zweiten Bereich derart in ihrer Dicke reduziert wird, dass die Differenz zwischen der Dicke der ersten Metallisierungsschicht im ersten Bereich und der Dicke der ersten Metallisierungsschicht im zweiten Bereich gleich der Dicke des elektrischen Bauteils ist. One embodiment variant provides that the thickness of the first metallization layer in the second region is reduced in such a way that the difference between the thickness of the first metallization layer in the first region and the thickness of the first metallization layer in the second region is equal to the thickness of the electrical component.

Der Dickenunterschied zwischen den beiden Bereichen der ersten Metallisierungsschicht gleicht somit gerade die Dicke des elektrischen Bauteils aus.The difference in thickness between the two areas of the first metallization layer thus just compensates for the thickness of the electrical component.

Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass das Strukturieren der ersten Metallisierungsschicht umfasst, dass die erste Metallisierungsschicht im ersten Teilbereich eine Stufe mit erhöhter Dicke ausbildet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Strukturieren der ersten Metallisierungsschicht umfasst, dass die erste Metallisierungsschicht im zweiten Bereich eine Kavität mit reduzierter Dicke ausbildet.A further embodiment variant provides that structuring the first metallization layer includes the first metallization layer forming a step with increased thickness in the first subregion. Alternatively, it can be provided that structuring the first metallization layer includes the first metallization layer forming a cavity with reduced thickness in the second region.

Bei der kann vorgesehen sein, dass zur Bereitstellung der Ummantelung der keramischen Schaltungsträger und das elektrische Bauteil in eine Leiterplatte eingebettet oder mit einer Vergussmasse vergossen werden.In order to provide the casing, it can be provided that the ceramic circuit carrier and the electrical component are embedded in a circuit board or cast with a potting compound.

Die erste Metallisierungsschicht ist beispielsweise eine Kupferschicht mit einer einheitlichen Dicke im Bereich bis 800 µm. Eine solche Kupferschicht wird auf die Keramikschicht aufgebracht und anschließend strukturiert (d.h. teilweise dickendeduziert).The first metallization layer is, for example, a copper layer with a uniform thickness in the range of up to 800 μm. Such a copper layer is applied to the ceramic layer and then structured (i.e. partially reduced in thickness).

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls, das einen keramischen Schaltungsträger mit einer Metallisierungsschicht umfasst, wobei die Metallisierungsschicht eine Stufe ausbildet, in der sie eine erhöhte Dicke aufweist;
  • 2 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls, das einen keramischen Schaltungsträger mit einer Metallisierungsschicht umfasst, wobei die Metallisierungsschicht eine Kavität ausbildet, in der sie eine reduzierte Dicke aufweist;
  • 3 ein elektrisches Modul gemäß dem Stand der Technik; und
  • 4 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines elektrischen Moduls.
The invention is explained in more detail below with reference to the figures of the drawing using several exemplary embodiments. Show it:
  • 1 schematically an embodiment of an electrical module comprising a ceramic circuit carrier with a metallization layer, wherein the metallization layer forms a step in which it has an increased thickness;
  • 2 schematically a further exemplary embodiment of an electrical module, which comprises a ceramic circuit carrier with a metallization layer, wherein the metallization layer forms a cavity in which it has a reduced thickness;
  • 3 a prior art electrical module; and
  • 4 schematically a flowchart of a method for producing an electrical module.

Zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung wird zunächst ein elektrisches Modul mit einem keramischen Schaltungsträger gemäß dem Stand der Technik anhand der 3 erläutert.For a better understanding of the background of the present invention, an electrical module with a ceramic circuit carrier according to the prior art is first described using the 3 explained.

Das elektrische Modul 1 der 3 umfasst einen keramischen Schaltungsträger 2, ein elektrisches Bauteil 3 und elektrische Kontakte 51-53.The electrical module 1 of the 3 comprises a ceramic circuit carrier 2, an electrical component 3 and electrical contacts 51-53.

Der keramischen Schaltungsträger 2 umfasst eine isolierende Keramikschicht 21, eine auf der Oberseite der Keramikschicht 21 angeordnete erste Metallisierungsschicht 22 und eine auf der Unterseite der Keramikschicht 21 angeordnete zweite Metallisierungsschicht 23. Die Keramikschicht 21 besteht beispielsweise aus Aluminiumnitrid (AIN) oder Siliziumnitrid (Si3N4). Die Metallisierungsschichten 22, 23 bestehen beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Silber oder Wolfram.The ceramic circuit carrier 2 comprises an insulating ceramic layer 21, a first metallization layer 22 arranged on the top of the ceramic layer 21 and a second metallization layer 23 arranged on the underside of the ceramic layer 21. The ceramic layer 21 consists, for example, of aluminum nitride (AIN) or silicon nitride (Si 3 N 4 ). The metallization layers 22, 23 consist, for example, of copper, aluminum, silver or tungsten.

Auf der ersten Metallisierungsschicht 22 ist über eine Lotschicht (nicht gesondert dargestellt) das elektrisches Bauteil 3 angeordnet. Das Bauteil 3 weist dabei eine Unterseite 32, mit der es auf der Metallisierungsschicht 22 angeordnet ist, und eine Oberseite 31 auf. Es besitzt dabei eine Dicke, die sich aus dem Abstand zwischen der Oberseite 31 und der Unterseite 32 ergibt. Die Oberseite 31 und die Unterseite 32 können metallisiert, zum Beispiel verkupfert sein. Bei dem elektrischen Bauteil 3 handelt es sich beispielsweise um einen Leistungshalbleiter, der als Chip ausgebildet ist.The electrical component 3 is arranged on the first metallization layer 22 via a solder layer (not shown separately). The component 3 has a bottom 32, with which it is arranged on the metallization layer 22, and a top 31. It has a thickness that results from the distance between the top 31 and the bottom 32. The top 31 and the bottom 32 can be metallized, for example copper-plated. The electrical component 3 is, for example, a power semiconductor that is designed as a chip.

Der keramischen Schaltungsträger 2 und das elektrische Bauteil 3 sind in einem Substrat 7 angeordnet, das die Außenmaße des elektrischen Moduls definiert. Bei dem Substrat 7 handelt es sich in einer Ausführungsvariante um eine Vergussmasse, in die der keramischen Schaltungsträger 2 und das elektrische Bauteil 3 eingebettet sind. Alternativ handelt es sich bei dem Substrat 7 um eine Leiterplatte, für welchen Fall der keramischen Schaltungsträger 2 und das elektrische Bauteil 3 in einem Leiterplattenembeddingprozess in eine Leiterplatte eingebettet worden sind.The ceramic circuit carrier 2 and the electrical component 3 are arranged in a substrate 7, which defines the external dimensions of the electrical module. In one embodiment variant, the substrate 7 is a casting compound in which the ceramic circuit carrier 2 and the electrical component 3 are embedded. Alternatively, the substrate 7 is a circuit board, in which case the ceramic circuit carrier 2 and the electrical component 3 have been embedded in a circuit board in a circuit board embedding process.

Das Substrat 7 umfasst eine Oberseite 11, die auch die Oberseite des Moduls 1 bildet. Die Unterseite des Substrat 7 verläuft bündig mit der unteren Metallisierungsschicht 23.The substrate 7 includes a top 11, which also forms the top of the module 1. The underside of the substrate 7 runs flush with the lower metallization layer 23.

Die Oberseite 11 des Substrats 7 bzw. des Moduls 1 bildet eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten 51, 52, 53 aus. Diese elektrischen Kontakte 51, 52, 53 dienen dazu, schematisch dargestellte elektrische Kontakte 41, 42, 43 einer Leiterplatte bzw. Trägerplatine 4 zu kontaktieren, an deren Unterseite das elektrische Modul 1 angeordnet wird. Die Leiterplatte bzw. Trägerplatine 4 ist dabei nur schematisch dargestellt.The top 11 of the substrate 7 or the module 1 forms a plurality of electrical contacts 51, 52, 53. These electrical contacts 51, 52, 53 serve to contact schematically illustrated electrical contacts 41, 42, 43 of a circuit board or carrier board 4, on the underside of which the electrical module 1 is arranged. The circuit board or carrier board 4 is only shown schematically.

Die elektrischen Kontakte 51, 52, 53 umfassen jeweils Durchkontaktierungen, die in Kontaktflächen an der Oberseite 11 des Moduls 1 enden. Als Durchkontaktierung wird dabei eine innen metallisierte Bohrung bezeichnet. Dabei umfasst der elektrische Kontakt 51 eine Durchkontaktierung 510', die sich von der Oberseite 11 des Moduls 1 zur oberen Metallisierungsschicht 22 des keramischen Schaltungsträgers 2 erstreckt. Der elektrische Kontakt 52 umfasst Durchkontaktierungen 520, die sich von der Oberseite 11 des Moduls 1 zur Oberseite 31 des elektrischen Bauteils 3 erstrecken. Der elektrische Kontakt 53 weist eine Durchkontaktierung 530 auf, die sich von der Oberseite 11 des Moduls 1 ebenfalls zur Oberseite 31 des elektrischen Bauteils 3 erstreckt.The electrical contacts 51, 52, 53 each include plated-through holes that end in contact surfaces on the top 11 of the module 1. A hole that is metalized on the inside is referred to as a through-hole. The electrical contact 51 includes a plated-through hole 510′, which extends from the top 11 of the module 1 to the upper metallization layer 22 of the ceramic circuit carrier 2. The electrical contact 52 includes plated-through holes 520 that extend from the top 11 of the module 1 to the top 31 of the electrical component 3. The electrical contact 53 has a through-hole 530, which also extends from the top 11 of the module 1 to the top 31 of the electrical component 3.

Dabei kann eine größere Anzahl von Durchkontaktierungen 510, 520, 530 vorgesehen sein, die hintereinander angeordnet und in der Schnittdarstellung der 3 daher nicht erkennbar sind.A larger number of plated-through holes 510, 520, 530 can be provided, which are arranged one behind the other and shown in the sectional view 3 are therefore not recognizable.

Der keramische Schaltungsträger 2 ist mit seiner an der Unterseite der Keramikschicht 21 angeordnete Metallisierungsschicht 23 direkt oder über eine nicht dargestellte Wärmeleitmatte mit einem Kühlkörper 6 verbindbar. Über den Kühlkörper 6 wird Verlustwärme des elektrischen Bauteils 3 abgeführt. Es handelt sich bei dem Kühlkörper 6 beispielsweise um einen aktiven Kühlkörper, der durch einen Lüfter (nicht dargestellt) oder mittels einer Flüssigkeitskühlung (nicht dargestellt) aktiv gekühlt wird. Alternativ ist der Kühlkörper 3 als passiver Kühlkörper ausgebildet. Der Kühlkörper 6 besteht aus einem leitenden Material wie zum Beispiel Aluminium.The ceramic circuit carrier 2 can be connected to a heat sink 6 with its metallization layer 23 arranged on the underside of the ceramic layer 21 directly or via a heat-conducting mat (not shown). Heat loss from the electrical component 3 is dissipated via the heat sink 6. The heat sink 6 is, for example, an active heat sink that is actively cooled by a fan (not shown) or by means of liquid cooling (not shown). Alternatively, the heat sink 3 is designed as a passive heat sink. The heat sink 6 consists of a conductive material such as aluminum.

Der keramische Schaltungsträger 2 mit der Keramikschicht 21 dient zum einen der elektrischen Isolation des auf dem keramischen Schaltungsträger 2 angeordneten elektrischen Bauteils 3 zum Kühlkörper 6 und stellt gleichzeitig eine thermische Anbindung zum Kühlkörper 6 bereit.The ceramic circuit carrier 2 with the ceramic layer 21 serves, on the one hand, to electrically insulate the electrical component 3 arranged on the ceramic circuit carrier 2 from the heat sink 6 and at the same time provides a thermal connection to the heat sink 6.

Im Folgenden werden die Durchkontaktierungen 510', 520, 530 näher betrachtet. Die elektrische Anbindung des elektrischen Bauteils 3 erfolgt über die Durchkontaktierungen 520, 530. Diese stellen beispielsweise einen Source-Anschluss und einen Gate-Anschluss des elektrischen Bauteils 3 bereit. Die Durchkontaktierungen 520, 530 sind dabei als Mikrovias ausgeführt. Zu deren Herstellung wird ein Laserprozess eingesetzt, der die verkupferte Oberseite des Bauteils 3 kontaktiert. Die hergestellten Mikrovias 520, 530 sind typischerweise vollständig mit Kupfer oder einem anderen Metall gefüllt. Dies erfolgt beispielsweise in einem Aufkupferungsprozess in einem Kupferbad.The vias 510', 520, 530 will be examined in more detail below. The electrical connection of the electrical component 3 takes place via the plated-through holes 520, 530. These provide, for example, a source connection and a gate connection of the electrical component 3. The plated-through holes 520, 530 are designed as microvias. A laser process is used to produce them, which contacts the copper-plated top side of the component 3. The microvias 520, 530 produced are typically completely filled with copper or another metal. This is done, for example, in a copper plating process in a copper bath.

Das Unterseitenpotential des elektrischen Bauteils 3 (beispielsweise der Drain-Anschluss des elektrischen Bauteils 3) wird der dagegen über die oberseitige Metallisierungsschicht 22 des keramischen Schaltungsträgers 3 kontaktiert. Durch die Dicke des elektrischen Bauteils 3 befinden sich die Kontaktstellen für die Oberseitenpotenziale und die Kontaktstelle für das Unterseitenpotenzial auf einer unterschiedlichen Höhe.The bottom potential of the electrical component 3 (for example the drain connection of the electrical component 3), however, is contacted via the top-side metallization layer 22 of the ceramic circuit carrier 3. Due to the thickness of the electrical component 3, the contact points for the top potential and the contact point for the bottom potential are at different heights.

Dies bedeutet, dass die Durchkontaktierung 510' eine deutlich größere Bohrungstiefe aufweisen muss. Während für die Durchkontaktierungen bzw. Vias 520, 530 ein Laserprozess und ein nachfolgender Aufkupferungsprozess erfolgen können, ist dies für die Durchkontaktierung 510' nicht der Fall. Denn es wird ein Aspektverhältnis der Bohrungstiefe zum Bohrungsdurchmesser von etwa 1:1,25 benötigt, um im Aufkupferungsprozess eine zuverlässige Spülung der Bohrung vor der galvanischen Abscheidung des Kupfers zum Auffüllen der Vias sicherzustellen. Typische Mikrovias haben einen Durchmesser von 100µm. Bei Chipdicken von über 100 µm hat dies zur Folge, dass die vollständige Aufkupferung der Mikrovias nur bis zu einem Durchmesser von 125 µm zuverlässig möglich ist. Ist das elektrische Bauteil 3 dicker, z.B. 350 µm dick, ist eine Ankontaktierung mit Mikrovias daher nicht möglich.This means that the via 510' must have a significantly greater hole depth. While a laser process and a subsequent copper plating process can take place for the plated-through holes or vias 520, 530, this is not the case for the plated-through hole 510'. An aspect ratio of the hole depth to the hole diameter of approximately 1:1.25 is required in order to ensure reliable flushing of the hole in the copper plating process before the galvanic deposition of the copper to fill the vias. Typical microvias have a diameter of 100µm. With chip thicknesses of over 100 µm, this means that complete copper plating of the microvias is only possible reliably up to a diameter of 125 µm. If the electrical component 3 is thicker, for example 350 µm thick, contacting with microvias is therefore not possible.

Die Durchkontaktierung 510' für das Unterseitenpotenzial muss daher mechanisch gebohrt werden. Das mechanische Sacklochbohren erfordert einen minimales Aspektverhältnis von etwa 1:1. Bei einer zu bohrenden Tiefe von z.B. 450 µm ergibt sich ein Bohrdurchmesser von 0,45 mm. Ein vollständiges Aufkupfern der Durchkontaktierung 510' ist dann aufgrund des hohen Volumens dieser Bohrung nicht mehr möglich. Es können nur die Innenwände aufgekupfert werden. Ein Auffüllen der Vias mit anderen Materialien (z.B. Epoxid, Lot, etc.) ist typischerweise unter den gegebenen Randbedingungen (elektrostatisch geschützter Bereich, Reinheitsanforderungen, etc.) nicht in der benötigten Qualität möglich. Eine unausgefülltes Durchkontaktierungen stellt jedoch für nachfolgende Prozesse wie ein Reflow-Löten und einen Underfillingprozess ein Problem dar, da undefiniert Lot- bzw. Underfillmaterial eindringen können. Der jeweilige Prozess kann daher nicht stabil und reproduzierbar ablaufen. Darüberhinaus kann es zu Lufteinschlüssen nach dem Reflow-Löten oder Underfilling kommen. Dieses Luftvolumen kann sich im Betrieb unter Temperaturänderung zyklisch ausdehnen und zusammenziehen und die Lebensdauer der Durchkontaktierungen negativ beeinflussen.The via 510' for the underside potential must therefore be drilled mechanically. Mechanical blind hole drilling requires a minimum aspect ratio of around 1:1. If the depth to be drilled is e.g. 450 µm, this results in a drilling diameter of 0.45 mm. A complete copper plating of the through-hole 510' is then no longer possible due to the high volume of this hole. Only the interior walls can be copper-plated. Filling the vias with other materials (e.g. epoxy, solder, etc.) is typically not possible in the required quality under the given conditions (electrostatically protected area, purity requirements, etc.). However, an unfilled plated-through hole poses a problem for subsequent processes such as reflow soldering and an underfilling process, as undefined solder or underfill material can penetrate. The respective process cannot therefore run stably and reproducibly. In addition, air pockets can occur after reflow soldering or underfilling. This air volume can expand and contract cyclically during operation as the temperature changes and negatively influence the service life of the plated-through holes.

Die erläuterten Nachteile werden bei elektrischen Modulen, die entsprechend den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 aufgebaut sind, behoben.The disadvantages explained are the case with electrical modules that correspond to the exemplary embodiments of 1 and 2 are built up, fixed.

Die 1 zeigt dabei ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls. Der grundsätzliche Aufbau ist dabei der gleiche wie in Bezug auf die 3 erläutert, so dass auf die diesbezüglichen Ausführungen Bezug genommen wird.The 1 shows a first exemplary embodiment of an electrical module. The basic structure is the same as in relation to the 3 explained, so that reference is made to the relevant statements.

Das Ausgangsbeispiel der 1 unterscheidet sich dadurch von der Ausgestaltung gemäß 3, dass die obere Metallisierungsschicht 22 eine nicht konstante Dicke aufweist, so dass der keramische Schaltungsträger 2 ein Stufensubstrat darstellt. So umfasst die Metallisierungsschicht 22 einen ersten Bereich 220, in dem sie eine größere Dicke aufweist als in einem zweiten Bereich 221. Innerhalb des ersten Bereichs 220 und des zweiten Bereichs 221 ist die Dicke der Metallisierungsschicht 22 jeweils konstant. Dabei kann ein Übergangsbereich 226 vorgesehen sein, in dem sich die Dicke der Metallisierungsschicht 22 ändert.The initial example of the 1 This differs from the design according to 3 that the upper metallization layer 22 has a non-constant thickness, so that the ceramic circuit carrier 2 represents a step substrate. The metallization layer 22 thus comprises a first region 220 in which it has a greater thickness than in a second region 221. Within the first region 220 and the second region 221, the thickness of the metallization layer 22 is constant in each case. A transition region 226 can be provided in which the thickness of the metallization layer 22 changes.

Es ist weiter vorgesehen, dass die Durchkontaktierungen 510, die sich von der Oberseite 11 des Moduls zur oberen Metallisierungsschicht 22 erstrecken, in dem ersten Bereich 220 ausgebildet sind. Dagegen ist das elektrische Bauteil 3 in dem zweiten Bereich 221 auf der Metallisierungsschicht 22 angeordnet. Der Dickenunterschied zwischen dem ersten Bereich 220 und dem zweiten Bereich 221 entspricht dabei gerade der Dicke des elektrischen Bauteils 3, so dass die Oberseite 225 der Metallisierungsschicht 22 und die Oberseite 31 des elektrischen Bauteils sich in der gleichen Ebene befinden.It is further provided that the vias 510, which extend from the top 11 of the module to the upper metallization layer 22, are formed in the first region 220. In contrast, the electrical component 3 is arranged in the second region 221 on the metallization layer 22. The difference in thickness between the first region 220 and the second region 221 corresponds exactly to the thickness of the electrical component 3, so that the top 225 of the metallization layer 22 and the top 31 of the electrical component are in the same plane.

Damit einher geht, dass auch die Durchkontaktierungen 510 nunmehr eine geringere Bohrungstiefe besitzen und in gleicher Weise wie die Durchkontaktierungen 520, 530 ausgebildet sein können. So werden beispielsweise sämtliche Durchkontaktierungen 510, 520, 530 als Mikrovias ausgebildet. Damit ist es möglich, sämtliche Durchkontaktierungen und damit auch die Durchkontaktierungen 510 zur Metallisierungsschicht 22 aufzukupfern, so dass sie vollständig mit Kupfer gefüllt sind. Dies kann in einem einheitlichen Prozess erfolgen.This goes hand in hand with the fact that the plated-through holes 510 now also have a smaller hole depth and can be designed in the same way as the plated-through holes 520, 530. For example, all plated-through holes 510, 520, 530 are designed as microvias. This makes it possible to copper-plate all vias and thus also the vias 510 to the metallization layer 22 so that they are completely filled with copper. This can be done in a unified process.

Dabei sieht die 1 vor, dass die Metallisierungsschicht 22 in dem Bereich 220 eine Stufe 222 ausbildet, wobei die Metallisierungsschicht 22 im Bereich der Stufe eine erhöhte Dicke aufweist.She sees this 1 proposes that the metallization layer 22 forms a step 222 in the area 220, the metallization layer 22 having an increased thickness in the area of the step.

Die 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Moduls, wobei für eine bessere Übersichtlichkeit der Darstellung die Leiterplatte 4 und der Kühlkörper 6 nicht gesondert dargestellt sind. Das Ausführungsbeispiel der 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der 1 in der Art der Strukturierung der oberen Metallisierungsschicht 22. So ist beim Ausgangsbeispiel der 2 vorgesehen, dass die Metallisierungsschicht 22 in dem zweiten Bereich 221 eine Kavität 224 ausbildet, wobei die Metallisierungsschicht 22 im Bereich der Kavität 224 eine reduzierte Dicke aufweist. Dabei ist das elektrische Bauteil 3 im Bereich der Kavität 224 auf die Metallisierungsschicht 22 aufgesetzt. Um die Kavität 224 herum erstrecken sich Bereiche 220 der Metallisierungsschicht 22, die demgegenüber eine größere Dicke aufweisen.The 2 shows a further exemplary embodiment of an electrical module, the circuit board 4 and the heat sink 6 not being shown separately for better clarity of the illustration. The exemplary embodiment of the 2 differs from the exemplary embodiment 1 in the type of structuring of the upper metallization layer 22. This is the case in the original example 2 It is provided that the metallization layer 22 forms a cavity 224 in the second region 221, the metallization layer 22 having a reduced thickness in the region of the cavity 224. The electrical component 3 is placed on the metallization layer 22 in the area of the cavity 224. Areas 220 of the metallization layer 22 extend around the cavity 224 and, in contrast, have a greater thickness.

Wiederum ist vorgesehen, dass der Dickenunterschied zwischen den Bereichen 220, 221 der Metallisierungsschicht der Dicke des elektrischen Bauteils 3 entspricht, so dass die Durchkontaktierungen 510, 520, 530 allesamt als Mikrovias ausgebildet werden können.Again, it is provided that the difference in thickness between the areas 220, 221 of the metallization layer corresponds to the thickness of the electrical component 3, so that the vias 510, 520, 530 can all be formed as microvias.

Die 4 zeigt beispielhaft ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines elektrischen Moduls entsprechend den 1 und 2. In einem ersten Schritt 401 wird eine isolierende Keramikschicht bereitgestellt. Anschließend wird in Schritt 402 eine erste, obere Metallisierungsschicht konstanter Dicke auf die Keramikschicht aufgebracht. Dies erfolgt in an sich bekannter Weise beispielsweise durch direktes Kupferbonden (DBC = „Direct Bonded Copper“), wobei eine Kupferschicht durch ein Hochtemperaturoxidationsverfahren auf eine Seiten der Keramikschicht aufgebracht wird. Ein alternatives Verfahren ist das sogenannte AMB-Verfahren (AMB = „Active Metal Braze“). Zusätzlich kann auch eine zweite, untere Metallisierungsschicht auf die Keramikschicht aufgebracht werden. Die erste Metallisierungsschicht kann in Ausführungsbeispielen durch chemisches Ätzen strukturiert werden, so dass sie einen elektrischen Schaltkreis bildet. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall.The 4 shows an example of a flowchart of a method for producing an electrical module in accordance with 1 and 2 . In a first step 401, an insulating ceramic layer is provided. Subsequently, in step 402, a first, upper metallization layer of constant thickness is applied to the ceramic layer. This is done in a manner known per se, for example by direct copper bonding (DBC = “Direct Bonded Copper”), whereby a copper layer is applied to one side of the ceramic layer using a high-temperature oxidation process. An alternative process is the so-called AMB process (AMB = “Active Metal Braze”). In addition, a second, lower metallization layer can also be applied to the ceramic layer. In exemplary embodiments, the first metallization layer can be structured by chemical etching so that it forms an electrical circuit. However, this is not necessarily the case.

Anschließend wird in Schritt 403 die Dicke der ersten Metallisierungsschicht in einem Teilbereich durch Ätzen reduziert. Dabei bildet die Metallisierungsschicht einen ersten Bereich, in dem die Metallisierungsschicht eine größere Dicke aufweist, und einen zweiten Bereich, in dem die Metallisierungsschicht eine geringere Dicke aufweist. Das Ätzen einer Metallisierungsschicht, beispielsweise einer Kupferschicht, ist an sich bekannt und erfolgt beispielsweise über nasschemische Ätzverfahren.Subsequently, in step 403, the thickness of the first metallization layer is reduced in a partial area by etching. The metallization layer forms a first region in which the metallization layer has a greater thickness and a second region in which the metallization layer has a smaller thickness. The etching of a metallization layer, for example a copper layer, is known per se and is carried out, for example, using wet chemical etching processes.

Das elektrische Bauteil wird in Schritt 404 im zweiten Bereich der Metallisierungsschicht angeordnet. Weiter wird gemäß Schritt 405 einer Ummantelung bereitgestellt, die die Keramikschicht, die Metallisierungsschicht und das elektrische Bauteil umgibt. Bei der Ummantelung handelt es sich in Ausführungsbeispielen um eine Vergussmasse oder eine Leiterplatte, in die die genannten Komponenten eingebettet sind. Dabei weist die Ummantelung einer Oberseite auf, in der Kontakte ausgebildet sind.The electrical component is arranged in step 404 in the second region of the metallization layer. Further, according to step 405, a casing is provided that surrounds the ceramic layer, the metallization layer and the electrical component. In exemplary embodiments, the casing is a potting compound or a circuit board in which the components mentioned are embedded. The casing has a top side in which contacts are formed.

Gemäß Schritt 406 wird mindestens eine erste Durchkontaktierung realisiert, die sich von der Oberseite der Ummantelung zur ersten Metallisierungsschicht erstreckt. Weiter wird gemäß Schritt 407 mindestens ein zweite Durchkontaktierung realisiert, die sich von der Oberseite der Ummantelung zu einer Oberseite des elektrischen Bauteils erstreckt.According to step 406, at least one first via is realized, which extends from the top of the casing to the first metallization layer. Furthermore, according to step 407, at least one second via is realized, which extends from the top of the casing to a top of the electrical component.

Der Dickenunterschied zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich der Metallisierungsschicht kann dabei gerade derart bemessen werden, dass er der Dicke des elektrischen Bauteils entspricht.The difference in thickness between the first region and the second region of the metallization layer can be dimensioned in such a way that it corresponds to the thickness of the electrical component.

Beim Ätzen der Metallisierungsschicht kann eine Stufe 222 gemäß 1 oder eine Kavität 224 gemäß 2 bereitgestellt werden.When etching the metallization layer, a step 222 can be carried out according to 1 or a cavity 224 according to 2 to be provided.

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 is to be understood that the invention is not limited to the embodiments described above and various modifications and improvements may be made without departing from the concepts described herein. It should also be noted 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 includes all combinations and subcombinations of one or more features described herein. If ranges are defined, they include all values within these ranges as well as all sub-ranges that fall within a range.

Claims (20)

Elektrisches Modul (1), das aufweist: - einen keramischen Schaltungsträger (2), der eine isolierende Keramikschicht (21) und eine auf der Oberseite der Keramikschicht (21) angeordnete erste Metallisierungsschicht (22) aufweist, - ein elektrisches Bauteil (3), das auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht (22) angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist, wobei das elektrische Bauteil (3) eine Oberseite (31) und eine Unterseite (32) aufweist, - eine Oberseite (11) des elektrischen Moduls (1), die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, an einer Leiterplatte (4) angeordnet zu werden, wobei das elektrische Modul (1) an seiner Oberseite (11) elektrische Kontakte (51-53) ausbildet, die dazu vorgesehen und ausgebildet, mit zugeordneten elektrischen Kontakten (41-43) der Leiterplatte (4) in Kontakt zu treten, - wobei die elektrischen Kontakte (51-53) des Moduls (1) mindestens eine erste Durchkontaktierung (510) umfassen, die sich von der Oberseite (11) bis zu der ersten Metallisierungsschicht (22) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierungsschicht (22) in einem ersten Bereich (220), in dem die erste Durchkontaktierung (510) die erste Metallisierungsschicht (22) kontaktiert, eine größere Dicke aufweist als in einem zweiten Bereich (221), in dem das elektrische Bauteil (3) auf der ersten Metallisierungsschicht (22) angeordnet ist.Electrical module (1), which has: - a ceramic circuit carrier (2) which has an insulating ceramic layer (21) and a first metallization layer (22) arranged on the top of the ceramic layer (21), - an electrical component (3), which is arranged on the top side of the first metallization layer (22) and is electrically connected to it, the electrical component (3) having a top side (31) and a bottom side (32), - a top side (11) of the electrical module (1) , which is intended and designed to be arranged on a circuit board (4), the electrical module (1) forming electrical contacts (51-53) on its top side (11), which are intended and designed for this purpose, with associated electrical contacts (41-43) of the circuit board (4) to come into contact, - the electrical contacts (51-53) of the module (1) comprising at least one first plated-through hole (510) which extends from the top (11) to the first metallization layer (22), characterized in that the first metallization layer (22) has a greater thickness in a first region (220) in which the first via (510) contacts the first metallization layer (22) than in a second region (221), in which the electrical component (3) is arranged on the first metallization layer (22). Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierungsschicht (22) in dem ersten Bereich (220) eine Dicke derart aufweist, dass die Oberseite (225) der ersten Metallisierungsschicht (22) sich in der gleichen Ebene befindet wie die Oberseite (31) des elektrischen Bauteils (3).Module after Claim 1 , characterized in that the first metallization layer (22) in the first region (220) has a thickness such that the top (225) of the first metallization layer (22) is in the same plane as the top (31) of the electrical component (3). Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierungsschicht (22) in dem ersten Bereich (220) eine Stufe (222) ausbildet, wobei die erste Metallisierungsschicht (22) im Bereich der Stufe (222) eine erhöhte Dicke aufweist.Module after Claim 1 or 2 , characterized in that the first metallization layer (22) forms a step (222) in the first region (220), the first metallization layer (22) having an increased thickness in the region of the step (222). Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierungsschicht (22) in dem zweiten Bereich (221), in dem das elektrische Bauteil (3) auf der ersten Metallisierungsschicht (22) angeordnet ist, eine Kavität (224) ausbildet, wobei die erste Metallisierungsschicht (22) im Bereich der Kavität (224) eine reduzierte Dicke aufweist.Module after Claim 1 or 2 , characterized in that the first metallization layer (22) forms a cavity (224) in the second region (221) in which the electrical component (3) is arranged on the first metallization layer (22), the first metallization layer (22 ) has a reduced thickness in the area of the cavity (224). Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontakte (51-53) des Moduls (1) des Weiteren mindestens eine zweite Durchkontaktierung (520, 530) umfassen, die sich von der Oberseite (11) des Moduls (1) bis zur Oberseite (31) des elektrischen Bauteils (3) erstreckt.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical contacts (51-53) of the module (1) further comprise at least one second via (520, 530) which extends from the top (11) of the module (1). extends to the top (31) of the electrical component (3). Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite (31) des elektrischen Bauteils (3) metallisiert ist, so dass die zweite Durchkontaktierung (520, 530) die metallisierte Oberseite des elektrischen Bauteils (3) kontaktiert.Module after Claim 5 , characterized in that the top (31) of the electrical component (3) is metallized, so that the second via (520, 530) contacts the metallized top of the electrical component (3). Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Schaltungsträger (2) des Weiteren eine auf der Unterseite der Keramikschicht (21) angeordnete zweite Metallisierungsschicht (23) aufweist.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic circuit carrier (2) further has a second metallization layer (23) arranged on the underside of the ceramic layer (21). Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramischen Schaltungsträger (2) und das elektrische Bauteil (3) in ein Substrat (7) eingebettet sind.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic circuit carrier (2) and the electrical component (3) are embedded in a substrate (7). Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, soweit rückbezogen auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Durchkontaktierung (510) und/oder die zweite Durchkontaktierung (520, 530) jeweils durch ein Mikrovia bereitgestellt ist.Module according to one of the preceding claims, as far as referred back to Claim 5 , characterized in that the first via (510) and/or the second via (520, 530) is each provided by a microvia. Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrovia (510, 520, 530) vollständig mit Metall gefüllt ist.Module after Claim 9 , characterized in that the microvia (510, 520, 530) is completely filled with metal. Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, soweit rückbezogen auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die mindestens eine erste Durchkontaktierung (510) ein Unterseitenpotenzial des elektrischen Bauteils (3) und über die mindestens eine zweite Durchkontaktierung (520, 530) mindestens ein Oberseitenpotenzial des elektrischen Bauteils (3) bereitstellbar ist.Module according to one of the preceding claims, as far as referred back to Claim 5 , characterized in that a bottom potential of the electrical component (3) can be provided via the at least one first through-hole (510) and at least one top potential of the electrical component (3) can be provided via the at least one second through-hole (520, 530). Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauteil (3) ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Leistungshalbleiter ist.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical component (3) is a semiconductor component, in particular a power semiconductor. Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierungsschicht (22) als Schaltungsträger strukturiert ist.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the first metallization layer (22) is structured as a circuit carrier. Modul nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierungsschicht (22) durch Kupfer, Aluminium, Silber oder Wolfram gebildet ist.Module according to one of the preceding claims, characterized in that the first metallization layer (22) is formed by copper, aluminum, silver or tungsten. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Moduls, mit den Schritten: - Bereitstellen (401) einer isolierenden Keramikschicht (21), - Aufbringen (402) einer ersten Metallisierungsschicht (22) mit konstanter Dicke auf die Keramikschicht (21), - Reduzieren der Dicke der ersten Metallisierungsschicht (22) in einem Teilbereich durch Ätzen, wobei die erste Metallisierungsschicht (22) einen ersten Bereich (220) bildet, in dem die erste Metallisierungsschicht (22) eine größere Dicke aufweist, und einen zweiten Bereich (221) bildet, in dem die erste Metallisierungsschicht (22) eine geringere Dicke aufweist, - Anordnen (404) eines elektrischen Bauteils (3) auf der ersten Metallisierungsschicht (22) im zweiten Bereich der ersten Metallisierungsschicht (22), - Anordnen (405) der Keramikschicht, der ersten Metallisierungsschicht (22) und des elektrischen Bauteils (3) in einer Ummantelung (7), die eine Oberseite (11) aufweist, - Einbringen (406) mindestens einer ersten Durchkontaktierung (510), die sich von der Oberseite (11) zur ersten Metallisierungsschicht (22) erstreckt, und - Einbringen (407) mindestens einer zweiten Durchkontaktierung (520, 530), die sich von der Oberseite (11) zu einer Oberseite (31) des elektrischen Bauteils (3) erstreckt.Method for producing an electrical module, comprising the steps: - Providing (401) an insulating ceramic layer (21), - applying (402) a first metallization layer (22) with a constant thickness to the ceramic layer (21), - reducing the thickness of the first metallization layer (22) in a partial area by etching, the first metallization layer (22). forming a first region (220) in which the first metallization layer (22) has a greater thickness, and forming a second region (221) in which the first metallization layer (22) has a smaller thickness, - arranging (404) an electrical component (3) on the first metallization layer (22) in the second region of the first metallization layer (22), - arranging (405) the ceramic layer, the first metallization layer (22) and the electrical component (3) in a casing (7), which is a Top side (11), - introducing (406) at least one first through-hole (510), which extends from the top (11) to the first metallization layer (22), and - introducing (407) at least one second through-hole (520, 530) , which extends from the top (11) to a top (31) of the electrical component (3). Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierungsschicht (22) im zweiten Bereich (221) derart in ihrer Dicke reduziert wird, dass die Differenz zwischen der Dicke der ersten Metallisierungsschicht (22) im ersten Bereich (220) und der Dicke der ersten Metallisierungsschicht (22) im zweiten Bereich (221) gleich der Dicke des elektrischen Bauteils (3) ist.Procedure according to Claim 15 , characterized in that the thickness of the first metallization layer (22) in the second region (221) is reduced in such a way that the difference between the thickness of the first metallization layer (22) in the first region (220) and the thickness of the first metallization layer (22 ) in the second area (221) is equal to the thickness of the electrical component (3). Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierungsschicht (22) im ersten Bereich (220) eine Stufe (222) mit erhöhter Dicke bildet.Procedure according to Claim 15 or 16 , characterized in that the first metallization layer (22) forms a step (222) with increased thickness in the first region (220). Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Metallisierungsschicht (22) im zweiten Bereich (221) eine Kavität (224) mit reduzierter Dicke bildet.Procedure according to Claim 15 or 16 , characterized in that the first metallization layer (22) forms a cavity (224) with reduced thickness in the second region (221). Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der Ummantelung (7) der keramische Schaltungsträger (2) und das elektrische Bauteil (3) in eine Leiterplatte eingebettet oder mit einer Vergussmasse vergossen werden.Procedure according to one of the Claims 15 until 18 , characterized in that to provide the casing (7), the ceramic circuit carrier (2) and the electrical component (3) are embedded in a circuit board or cast with a potting compound. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Metallisierungsschicht (22) eine Kupferschicht mit einer Dicke im Bereich bis 800 µm aufgebracht und anschließend strukturiert wird.Procedure according to one of the Claims 15 until 19 , characterized in that a copper layer with a thickness in the range of up to 800 µm is applied as the first metallization layer (22) and then structured.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20160352246A1 (en) 2015-05-29 2016-12-01 Delta Electronics Int'l (Singapore) Pte Ltd Power module

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