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Die Erfindung betrifft eine Leiterplattenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplattenanordnung.
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Es ist bekannt, leiterplattenbasierte Leistungselektronikbaugruppen mittels eines Kühlkörpers zu kühlen, wobei die zu kühlenden Bauteile typischerweise als oberflächenmontierte (SMD-) Bauteile (SMD = „Surface-mounted device“) oder in Durchsteckmontage (THT = „Through-Hole-Technology“) ausgeführt sind und auf der Unterseite einer Leiterplatte sitzen. Zur thermischen Anbindung der zu kühlenden Bauteile an den Kühlkörper ist der Einsatz von Wärmeleitmaterialien, auch als thermisches Schnittstellenmaterial TIM (TIM = „thermal interface material“) bezeichnet, bekannt, die zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlkörper angeordnet werden. Solche Wärmeleitmaterialien gleichen Höhentoleranzen und Rauheiten aus und reduzieren dadurch die Gefahr der Entstehung eines Spalts zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlkörper.
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Allerdings weisen solche Wärmeleitmaterialien eine begrenzte thermische Leitfähigkeit auf. Dementsprechend erfolgt keine optimale Abführung von Verlustwärme des zu kühlenden Bauteils an den Kühlkörper. Dies wiederum bedeutet, dass die relevanten Kenngrößen des zu kühlenden Bauteils nicht optimal eingestellt werden können. Dabei stellen die maximale Größe der Verlustleistung und die maximale Temperatur des Bauteils die entscheidenden Kenngrößen dar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplattenanordnung mit elektrischen Bauteilen und einem Kühlkörper bereitzustellen, die eine effektive Kühlung der elektrischen Bauteile an dem Kühlkörper bereitstellt. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Leiterplattenanordnung bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Leiterplattenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Danach betrachtet die Erfindung in einem ersten Erfindungsaspekt eine Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite sowie mindestens ein elektrisches Bauteil umfasst, das an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist. Dabei weist die Unterseite des elektrischen Bauteils eine erste Metallisierungsschicht auf, die einen Umfangsrand besitzt. Des Weiteren umfasst die Leiterplattenanordnung einen Kühlkörper, mit dem das elektrische Bauteil thermisch gekoppelt ist, wobei der Kühlkörper eine dem elektrischen Bauteil zugewandte Oberseite aufweist.
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Es ist vorgesehen, dass zwischen der metallisierten Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörpers eine durch Galvanisieren abgeschiedene Metallschicht ausgebildet ist, die eine thermische Schnittstelle zwischen elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper bereitstellt. Dabei
- - weist die Oberseite des Kühlkörpers eine zweite Metallisierungsschicht auf und/oder besteht der Kühlkörper aus einem Metall,
- - weist die Oberseite des Kühlkörpers und/oder die Unterseite des elektrischen Bauteils eine Strukturierung auf, die mindestens einen Spalt zwischen der Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörper derart bereitstellt, dass die Spalthöhe des mindestens einen Spalts am Umfangsrand der ersten Metallisierungsschicht am größten ist,
- - ist der mindestens eine Spalt zwischen der Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörpers durch die abgeschiedene Metallschicht geschlossen.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, eine thermische Schnittstelle zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlkörper über eine durch einen galvanischen Prozess abgeschiedene Metallschicht bereitzustellen, die eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist und daher gegenüber herkömmlichen Wärmeleitmaterialien zu einem verbesserten Wärmetransport in den Kühlkörper führt.
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Zur Ermöglichung eines galvanischen Prozesses wird zwischen der metallisierten Unterseite des zu kühlenden Bauteils und der metallisierten oder metallischen Oberseite des Kühlkörpers ein Spalt mit nicht konstanter Spalthöhe bereitgestellt. Die Spalthöhe variiert dabei derart, dass sie am Umfangsrand der ersten Metallisierung, die an der Unterseite des zu kühlenden Bauteils ausgebildet ist, maximal ist und mit zunehmendem Abstand vom Umfangsrand zunimmt. Hierdurch wird ermöglicht, den Spalt durch galvanische Abscheidung von innen nach außen zu schließen.
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Ein weiterer, mit der erfindungsgemäßen Lösung verbundener Vorteil besteht darin, dass beim galvanischen Prozess Unebenheiten und nicht vermeidbare unterschiedliche Spaltmaße zwischen der Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörpers automatisch ausgeglichen werden.
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Weiter ist von Vorteil, dass ein galvanischer Prozess typischerweise bei geringen Temperaturen erfolgt, so dass die Abscheidung der Metallschicht und die Bereitstellung einer thermischen Schnittstelle mit geringen thermomechanischen Spannungen realisiert werden kann.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dem Einsatz eines galvanischen Prozesses zur Herstellung einer thermischen Schnittstelle auf dem Fachmann bekannte Prozesse aus der Leiterplattenfertigung zurückgegriffen werden kann. Beim galvanischen Prozess bzw. beim Galvanisieren (auch als Galvanotechnik oder Galvanik bezeichnet) werden Metalle auf metallische oder metallisierte Oberflächen unter Verwendung eines Elektrolyten und Gleichstroms in einem elektrolytischen Bad elektrochemisch abgeschieden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung stets diejenige Seite des zu kühlenden elektrischen Bauteils, die dem Kühlkörper zugewandt ist, als Unterseite des elektrischen Bauteils bezeichnet wird. Dies ist typischerweise bezogen auf die vertikale Lotrichtung die sich näher zum Erdboden befindende Seite des elektrischen Bauteils. Natürlich können das elektrische Bauteil und der Kühlkörper auch umgedreht oder senkrecht angeordnet werden und dementsprechend nach oben oder zur Seite zeigen, für welchen Fall im Sinne der vorliegenden Erfindung das zu kühlende elektrische Bauteil ebenfalls mit seiner Unterseite dem Kühlkörper zugewandt ist.
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Weiter wird darauf hingewiesen, dass das Merkmal, wonach die Spalthöhe des mindestens einen Spalts am Umfangsrand der ersten Metallisierungsschicht am größten ist, wie folgt zu verstehen ist. Naturgemäß weist die auf der Unterseite des elektrischen Bauteils ausgebildete Metallisierungsschicht einen Umfangsrand bzw. Außenrand auf. Dieser kann abhängig von der Form der Metallisierungsschicht beispielsweise rechteckig oder kreisförmig sein. Dass der Spalt am Umfangsrand dieser Metallisierungsschicht am größten ist, bedeutet nicht notwendigerweise, dass er entlang seines gesamten Umfangsrandes am größten ist. Vielmehr kann in Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass er lediglich in einem Abschnitt des Umfangsrandes am größten ist, beispielsweise entlang einer der Seitenkanten einer rechteckigen ersten Metallisierungsschicht.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Oberseite des Kühlkörpers als Strukturierung eine Erhebung aufweist, die sich in Richtung der Unterseite des elektrischen Bauteils erstreckt. Alternativ weist die Unterseite des elektrischen Bauteils als Strukturierung eine Erhebung auf, die sich in Richtung der Oberseite des Kühlkörpers erstreckt. Die Erhebung besitzt dabei eine nicht konstante Dicke. Durch die Erhebung mit nicht konstanter Dicke wird ein Spalt mit ebenfalls nicht konstanter Dicke zwischen der Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörpers bereitgestellt.
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Die Erhebung kann sich über einen Winkelbereich von 360° erstrecken, für welchen Fall der gebildete Spalt umlaufend ist, oder alternativ nur über einen Winkelbereich kleiner als 360° erstrecken, für welchen Fall der gebildete Spalt sich ebenfalls über einen Winkelbereich kleiner als 360° erstreckt.
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Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die Oberseite des Kühlkörpers eine im Querschnitt dreieckförmige Erhebung aufweist, wobei eine Ecke der dreieckförmigen Erhebung der Unterseite des elektrischen Bauteils zugewandt ist. Dabei ist das genannte Dreieck beispielsweise als gleichschenkliges Dreieck ausgebildet, wobei die der Unterseite des elektrischen Bauteils zugewandte Ecke einen stumpfen Innenwinkel bildet, während an den beiden anderen Ecken ein spitzer Innenwinkel gebildet ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass eine dreieckförmige Erhebung alternativ an der Unterseite des elektrischen Bauteils ausgebildet sein kann, wobei sie sich für diesen Fall in Richtung der Oberseite des Kühlkörpers erstreckt. Eine Erhebung an der Unterseite des elektrischen Bauteils kann beispielsweise durch eine entsprechende Formgebung der ersten Metallisierungsschicht des elektrischen Bauteils bereitgestellt werden.
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Weiter wird darauf hingewiesen, dass eine dreieckförmige Erhebung lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Die Erhebung kann grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise alternativ durch eine parabolische oder elliptische Kontur gebildet sein. Die gewählte Form der Erhebung bestimmt die Form und den Verlauf des Spaltes. Dabei ist beispielsweise eine dreieckförmige Erhebung, die mit einem keilförmigen Spalt korrespondiert, vorgesehen, wenn die Wachstumsraten beim Abscheiden des Metalls während des galvanischen Prozesses linear sind. Eine parabolische oder elliptische Kontur kann gewählt werden, wenn die Wachstumsraten nichtlinear sind.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Spalthöhe des mindestens einen Spalts mit zunehmendem Abstand vom Umfangsrand der ersten Metallisierungsschicht stetig abnimmt, also ohne Sprünge vollzogen wird. Hierdurch wird ermöglicht, den Spalt durch galvanische Abscheidung von innen nach außen kontinuierlich zu schließen.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Spalthöhe in der Mitte der ersten Metallisierungsschicht minimal ist. Ein Schließen des Spaltes bei der galvanischen Abscheidung geht dabei von der Mitte der Metallisierungsschicht aus und wächst in Richtung des Umfangsrandes.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass der Spalt im Querschnitt keilförmig ausgebildet ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn an der Unterseite des elektrischen Bauteils oder der Oberseite des Kühlkörpers eine im Querschnitt dreieckförmige Erhebung ausgebildet ist, die zu einem sich ausgehend vom Umfangsrandes linear verjüngenden Spalt führt.
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Weitere Ausgestaltungen sehen vor, dass die Strukturierung symmetrisch in Bezug auf die Abmessungen der ersten Metallisierungsschicht ausgebildet ist. Eine symmetrische Strukturierung ist dabei insbesondere eine Strukturierung, die in der Ebene der ersten Metallisierungsschicht rotationssymmetrisch oder achsensymmetrisch ist.
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Bei der durch Galvanisieren abgeschiedene Metallschicht handelt es sich beispielsweise um eine Kupferschicht. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Oberseite des Kühlkörpers ebenfalls durch eine Kupferschicht metallisiert ist oder aus Kupfer besteht, und/oder dass die Unterseite des elektrischen Bauteils ebenfalls durch eine Kupferschicht metallisiert ist.
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Sowohl die beim galvanischen Prozess abgeschiedene Metallschicht als auch die angrenzenden Metallschichten an der Unterseite des elektrischen Bauteils und an der Oberseite des Kühlkörpers bestehen gemäß dieser Ausgestaltung aus Kupfer.
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Alternativ erfolgt durch das Galvanisieren die Abscheidung eines anderen Metalls, wobei beispielsweise eine Goldschicht, eine Silberschicht, eine Nickelschicht, eine Chromschicht oder eine Zinnschicht abgeschieden wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Metallisierungsschichten an der Unterseite des elektrischen Bauteils und an der Oberseite des Kühlkörpers aus dem gleichen Metall gebildet sind.
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Allgemein gilt, dass die elektrischen Bauteile in Ausgestaltungen der Erfindung Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungshalbleiter wie zum Beispiel Leistungs-MOSFETs oder IGBT-Bauteile sein können. Es handelt sich beispielsweise um Leistungshalbleiter eines Wechselrichters oder allgemein eines Stromrichters, der für den Betrieb eines Elektromotors vorgesehen ist.
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Bei dem elektrischen Bauteil kann es sich grundsätzlich um ein beliebiges elektrisches Bauteil oder eine beliebige elektrische Baugruppe handeln. Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die elektrischen Bauteile jeweils aufweisen:
- - einen keramischen Schaltungsträger, der eine isolierende Keramikschicht und eine auf der Oberseite der Keramikschicht angeordnete dritte Metallisierungsschicht aufweist,
- - ein elektrisches Bauelement, das auf der Oberseite der dritten Metallisierungsschicht angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist,
- - eine Oberseite des elektrischen Bauteils, die an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist,
- - wobei die an der Unterseite des elektrischen Bauteils ausgebildete erste Metallisierungsschicht an der Unterseite der Keramikschicht angeordnet ist.
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Bei dem elektrischen Bauelement handelt es sich dabei beispielsweise um den eigentlichen Leistungshalbleiter wie z.B. einen Leistungs-MOSFETs oder ein IGBT-Bauteil. Der keramische Schaltungsträger dient der elektrischen Isolation des elektrischen Bauelements 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 oder einem Leiterplattenmaterial ein elektrisches Modul, das über an seiner Oberfläche ausgebildete Kontakte mit der Leiterplatte (die eine Trägerplatine darstellen kann) verbindbar ist. Ein solches elektrisches Bauteil wird auch als Prepackage-Modul bezeichnet.
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In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung, wobei die Leiterplattenanordnung aufweist: eine Leiterplatte mit einer Oberseite und einer Unterseite, ein elektrisches Bauteil, das an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist, eine Unterseite des elektrischen Bauteils, die eine erste Metallisierungsschicht aufweist, wobei die erste Metallisierungsschicht mindestens einen Umfangsrand aufweist, und einen Kühlkörper, mit dem das elektrische Bauteil thermisch gekoppelt ist, wobei der Kühlkörper eine dem elektrischen Bauteil zugewandte Oberseite aufweist.
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Dabei umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Strukturieren der Oberseite des Kühlkörpers und/oder der Unterseite des elektrischen Bauteils derart, dass ein Spalt zwischen der metallisierten Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörpers entsteht, wobei der Spalt eine Spalthöhe aufweist, die am Umfangsrand der ersten Metallisierungsschicht am größten ist,
- - Durchführung eines galvanischen Verfahrens, bei dem der Spalt zwischen der metallisierten Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörpers sukzessive durch eine beim Galvanisieren sich abscheidende Metallschicht geschlossen wird, wobei der Spalt von innen zum Umfangsrand der ersten Metallisierungsschicht hin zuwächst.
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Die Bereitstellung eines Spaltes mit variierenden Spalthöhe, die am Umfangsrand der ersten Metallisierungsschicht am größten ist, ermöglicht dabei das Verschließen des Spalts mit einer Metallschicht durch Galvanisieren.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass beim galvanischen Verfahren Kupfer abgeschieden wird. Alternativ wird ein anderes Metall wie beispielsweise Gold, Silber, Nickel, Chrom oder Zinn abgeschieden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Oberseite des Kühlkörpers vor oder nach dem Strukturieren metallisiert wird, so dass die Oberseite des Kühlkörpers mit einer gesonderten Metallisierungsschicht versehen ist. Sofern der Kühlkörper bereits aus einem Metall besteht, das für eine Abscheidung von Metall im Rahmen des galvanischen Verfahrens geeignet ist, ist eine solche Metallisierung der Oberseite des Kühlkörpers lediglich optional. Das Metallisieren der Oberseite des Kühlkörpers kann ebenfalls durch ein galvanisches Verfahren erfolgen.
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In einer Ausführungsvariante besteht der Kühlkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und wird beim Schritt des Metallisierens der Oberseite des Kühlkörpers Kupfer oder ein anderes Metall wie zum Beispiel Gold, Silber, Nickel, Chrom oder Zinn auf der Oberseite des Kühlkörpers abgeschieden.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass beim Strukturieren die Oberseite des Kühlkörpers oder die Unterseite des elektrischen Bauteils mit einer Erhebung versehen wird, die eine nicht konstante Dicke aufweist und dadurch einen Spalt mit einer nicht konstanten Spalthöhe bereitstellt. Ein Ausführungsbeispiel hierzu sieht vor, dass beim Strukturieren die Oberseite des Kühlkörpers mit einer im Querschnitt dreieckförmigen Erhebung versehen wird. Hierdurch wird ein keilförmiger Spalt zwischen der Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörpers bereitgestellt, der sich ausgehend vom Umfangsrand der ersten Metallisierungsschicht verjüngt und aufgrund dieser Form beim Galvanisieren in effektiver Weise vollständig durch das abgeschiedene Metall geschlossen werden kann.
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In anderen Ausführungsvarianten ist eine Erhebung des Kühlkörpers in Richtung des elektrischen Bauteils nicht dreieckförmig, sondern beispielsweise parabolisch oder elliptisch, so dass der Spalt zwischen der Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörpers sich entsprechend einer parabolischen oder elliptischen Funktion verjüngt. Eine solche Ausgestaltung kann dann vorteilhaft sein, wenn nichtlineare Wachstumsraten bei der Abscheidung des Metalls vorliegen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte, ein elektrisches Bauteil und einen Kühlkörper umfasst, wobei das elektrische Bauteil über eine durch Galvanisieren abgeschiedene Metallschicht thermisch mit dem Kühlkörper verbunden ist;
- 2 eine nicht erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung mit einer Leiterplatte, einem elektrischen Bauteil und einem Kühlkörper gemäß dem Stand der Technik; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung gemäß der 1.
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Zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine nicht erfindungsgemäße Leiterplattenanordnung anhand der 2 beschrieben.
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Die 2 zeigt eine Leiterplattenanordnung, die eine Leiterplatte 1, ein elektrisches Bauteil 2 und einen Kühlkörper 3 umfasst. Die Leiterplatte 1 umfasst eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12. An der Unterseite 12 sind eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten 13 zur Kontaktierung des elektrischen Bauteils 2 vorgesehen.
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Das elektrische Bauteil 2 umfasst einen keramischen Schaltungsträger 230, der eine isolierende Keramikschicht 23, eine auf der Oberseite der Keramikschicht 23 angeordnete obere Metallisierungsschicht 24 und eine auf der Unterseite der Keramikschicht 23 angeordnete untere Metallisierungsschicht 25, die auch als erste Metallisierungsschicht bezeichnet wird, aufweist. Auf der oberen Metallisierungsschicht 24 ist ein elektrisches Bauelement 26 angeordnet, bei dem es sich beispielsweise um einen Leistungshalbleiter handelt.
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Der keramischen Schaltungsträger 230 und das elektrische Bauelement 26 sind in einem Substrat 28 angeordnet, das die Außenmaße des elektrischen Bauteils 2 definiert. Bei dem Substrat 28 handelt es beispielsweise um eine Vergussmasse oder ein Leiterplattenmaterial, in die/das der keramischen Schaltungsträger 230 und das elektrische Bauteil 26 eingebettet sind. Das Substrat 26 umfasst eine Oberseite 21, die auch die Oberseite des elektrischen Bauteils 2 bildet. Eine Unterseite des Substrats 26 verläuft bündig mit der unteren Metallisierungsschicht 25. Die Unterseite des Substrats 26 und die untere Metallisierungsschicht 233 bilden die Unterseite 22 des elektrischen Bauteils 2. Insgesamt ist das elektrische Bauteil 2 quaderförmig ausgebildet.
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Die Oberseite 21 des elektrischen Bauteils 2 weist eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten 27 auf, die dazu dienen, die entsprechende Kontakte 13 der Leiterplatte 1 zu kontaktieren. Dies erfolgt beispielsweise über eine Oberflächenmontage. Die elektrischen Kontakte 27 umfassen Durchkontaktierungen 270 zu der oberen Metallisierungsschicht 24 zur Bereitstellung eines Unterseitenpotenzials des elektrischen Bauelements 26 und Durchkontaktierungen 271 zu einer metallisierten Oberseite des elektrischen Bauelement 26 zur Bereitstellung von Oberseitenpotenzialen. Beispielsweise stellen die elektrischen Kontakte 27 einen Source-Anschluss, einen Gate-Anschluss und eine Drain-Anschluss des elektrischen Bauelements 26 bereits. Zur elektrischen Verbindung zwischen den elektrischen Kontakten 27 auf der Oberseite 21 des elektrischen Bauteils 2 und den elektrischen Kontakten 13 auf der Unterseite der Leiterplatte 1 können leitende Abstandselemente 6 eingesetzt werden.
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Weiter kann der Bereich zwischen der Unterseite der Leiterplatte 1 und dem elektrischen Bauteil 2 mittels einer Vergussmasse 7 vergossen sein.
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Das elektrische Bauteil 2 ist über die Metallisierungsschicht 25 und eine Wärmeleitmatte 8 mit einem Kühlkörper 3 verbunden. Der keramische Schaltungsträger 230 mit der Keramikschicht 23 dient zum einen der elektrischen Isolation des auf dem keramischen Schaltungsträger 230 angeordneten elektrischen Bauelements 26 zum Kühlkörper 3 und stellt gleichzeitig eine thermische Anbindung zum Kühlkörper 3 bereit. Das elektrisches Bauteil 2 wird auch als Prepackage-Modul bezeichnet. Dabei wird darauf hingewiesen, dass in der Darstellung der 2 nur ein elektrisches Bauteil 2 dargestellt ist, dass an der Unterseite der Leiterplatte 1 jedoch eine Vielzahl solcher elektrischer Bauteile 2 angeordnet sein kann.
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Der Kühlkörper 3 kann zahlreiche Ausgestaltungen aufweisen. Er besteht beispielsweise aus einem Metall wie zum Beispiel Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und weist nicht gesondert dargestellte Kühlflächen auf. Es handelt sich bei dem Kühlkörper 3 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.
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Die zur thermischen Anbindung des elektrischen Bauteils 2 an den Kühlkörper 3 eingesetzte Wärmeleitmatte 8 weist eine nicht optimale Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die thermische Kopplung zwischen dem elektrischen Bauteil 2 und dem Kühlkörper 3 ebenfalls nicht optimal ist.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leiterplattenanordnung. Die Leiterplattenanordnung 1 weist eine Leiterplatte 1, ein zu kühlendes elektrisches Bauteil 2 und einen Kühlkörper 3 auf. Im Hinblick auf die Leiterplatte 1 und das elektrische Bauteil 2 liegt der gleiche Aufbau vor wie in Bezug auf die 2 erläutert, so dass auf die diesbezüglichen Erläuterungen Bezug genommen wird.
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Anders als bei der 2 wird eine thermische Schnittstelle zwischen dem elektrischen Bauteil 2 und dem Kühlkörper 3 durch eine Metallschicht 4 bereitgestellt, die durch Galvanisierung in einem Spalt 5 zwischen der Unterseite 22 des elektrischen Bauteils 2 und der Oberseite 35 des Kühlkörpers 3 abgeschieden worden ist.
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Um eine solche Abscheidung zu ermöglichen, ist eine bestimmte Strukturierung an der Oberseite 35 des Kühlkörpers 3 realisiert, die alternativ in entsprechender Weise an der Unterseite 22 des elektrischen Bauteils realisiert sein könnte. Diese Strukturierung umfasst die Ausbildung einer Erhebung 31 an der Oberseite 35 des Kühlkörpers. Diese Erhebung 31 besitzt gegenüber der Oberfläche 35 des Kühlkörpers 3 eine variierende Dicke.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel, aber nicht notwendigerweise, ist die Erhebung 31 durch eine im Querschnitt dreieckförmige Erhebung gebildet, die drei Ecken 311, 312, 313 ausbildet, wobei die eine Ecke 312 der Unterseite 22 des elektrischen Bauteils 2 zugewandt ist. Das Dreieck, dass die Erhebung 31 im Querschnitt bildet, ist dabei als gleichschenkliges Dreieck ausgebildet, das an den seitlichen Ecken 311, 313 zwei identische spitze Innenwinkel α und an der dem elektrischen Bauteil 2 zugewandten Ecke 112 einen stumpfen Innenwinkel β ausbildet. Beispielsweise liegt der Winkel α im geschlossenen Intervall zwischen 5° und 30°.
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Weiter ist vorgesehen, dass im Bereich der Erhebung 31 die Oberseite 35 des Kühlkörpers 3 eine Metallisierungsschicht 33 ausbildet, die auch als zweite Metallisierungsschicht bezeichnet wird. Die Metallisierungsschicht 33 wird bereitgestellt, damit eine galvanische Abscheidung auf der Metallisierungsschicht 33 (und der Metallisierungsschicht 25 an der Unterseite 22 des elektrischen Bauteils) erfolgen kann. Sofern der Kühlkörper 3 aus Metall besteht, ist die Bereitstellung einer gesonderten Metallisierungsschicht 33 nicht erforderlich, kann jedoch auch in diesem Fall vorteilhaft sein.
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Durch die Strukturierung der Oberseite 35 des Kühlkörpers 3 mittels einer im Querschnitt dreieckförmige Erhebung entsteht automatisch ein Spalt 5 zwischen der Unterseite 22 des elektrischen Bauteils und der Oberseite 35 des Kühlkörpers. Der Spalt 5 besitzt dabei aufgrund der Dreiecksform der Erhebung 31 eine variierende Spalthöhe h, wobei die Spalthöhe h des Spalts 5 am Umfangsrandes 250 der ersten Metallisierungsschicht am größten ist und sich mit zunehmendem Abstand vom Umfangsrandes 250 stetig reduziert. Der Spalt 5 ist dabei im Querschnitt keilförmig ausgebildet. Die Spalthöhe h ist minimal am Punkt 312 des Dreiecks und damit in der Mitte der ersten Metallisierungsschicht 25. Die Spalthöhe h kann am Punkt 312 gleich Null oder größer als Null sein.
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Durch die zum Umfangsrand 250 hin zunehmende Spalthöhe h ist es möglich, die Metallschicht 4 im Rahmen eines galvanischen Verfahrens innerhalb des Spalts 5 abzuscheiden. Dabei wächst der Spalt 5 während der galvanischen Abscheidung von innen (d. h. vom Punkt 312 aus) nach außen zu. Ein flacher Spalt würde sich dagegen in einem galvanischen Verfahren mit Metall zusetzen, ohne komplett ausgefüllt zu werden und könnte dementsprechend keine effektive thermische Anbindung des elektrischen Bauteils 2 an den Kühlkörper 3 bereitstellen.
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Die dargestellte Anordnung mit der Erhebung 31, dem Spalt 5 und der durch Galvanisierung abgeschiedenen Metallschicht 4, die den Spalt 5 ausfüllt, kann rotationssymmetrisch oder achsensymmetrisch ausgebildet sein. Im ersten Fall stellt der Punkt 311 die Spitze eines Konus dar, den die Erhebung 31 bildet. Im zweiten Fall stellt der Punkt 311 die obere Kante einer Art Satteldach dar, das die Erhebung 31 bildet. Weitere Ausgestaltungen können vorsehen, dass der Spalt 5 sich nicht im gesamten Bereich zwischen der Unterseite 22 des elektrischen Bauteils 2 und der Oberseite 35 des Kühlkörpers 3 erstreckt, sondern lediglich abschnittsweise ausgebildet ist. Auch wird darauf hingewiesen, dass die Erhebung 31 statt einer Dreiecksform alternativ beispielsweise eine elliptische oder eine parabolische Form aufweisen kann.
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Die Metallisierungsschichten 33, 25 bestehen beispielsweise aus Kupfer. Die durch Galvanisierung abgeschiedene Metallschicht 4 besteht beispielsweise ebenfalls aus Kupfer, wobei auch andere für eine Galvanisierung geeignete Metalle eingesetzt werden können, wobei bevorzugt solche mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit ausgewählt werden, um eine gute thermische Ankopplung des zu kühlenden elektrischen Bauteils 2 an den Kühlkörper 3 zu erreichen.
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Die 3 verdeutlicht die Verfahrensschritte zur Herstellung einer Leiterplattenanordnung gemäß der 1. Dabei wird in an sich bekannter Weise das elektrische Bauteil 2 an der Unterseite der Leiterplatte 1 befestigt, worauf nicht näher eingegangen wird. Dies kann vor oder nach einer thermischen Anbindung des elektrischen Bauteils 2 an einen Kühlkörper 3 erfolgen.
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Zur Bereitstellung einer thermischen Anbindung wird in einem ersten Schritt 301 die Oberseite des Kühlkörpers und/oder die Unterseite des elektrischen Bauteils derart strukturiert, dass ein Spalt zwischen der metallisierten Unterseite des elektrischen Bauteils und der Oberseite des Kühlkörpers entsteht. Dieser Spalt weist dabei eine Spalthöhe auf, die am Umfangsrand der ersten Metallisierungsschicht am größten ist.
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Weiter wird die Oberseite des Kühlkörpers in einem Schritt 302 metallisiert. Dies kann vor oder nach einer Strukturierung gemäß dem Schritt 301 erfolgen. In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 302 ein Kühlkörper aus Aluminium zum Beispiel in einem galvanischen Verfahren mit einer Metallisierungsschicht aus Kupfer oder Nickel versehen.
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Der Schritt 302 kann entfallen, wenn der Kühlkörper bereits aus einem für ein galvanisches Verfahren geeigneten Metall besteht, beispielsweise dann, wenn der Kühlkörper aus Kupfer besteht und im nachfolgend erläuterten Schritt 303 Kupfer abgeschieden wird.
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Anschließend wird in Schritt 303 ein galvanisches Verfahren durchgeführt. Bei dem galvanischen Verfahren wird der Spalt zwischen der metallisierten Unterseite des elektrischen Bauteils und der metallisierten oder metallischen Oberseite des Kühlkörpers sukzessive durch eine beim Galvanisieren sich abscheidende Metallschicht geschlossen, wobei der Spalt von innen zum Umfangsrand der ersten Metallisierungsschicht hin zuwächst.
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Auf diese Weise wird eine thermische Schnittstelle zwischen dem elektrischen Bauteil und dem Kühlkörper geschaffen, die durch eine Metallschicht bereitgestellt wird. Da Metalle allgemein eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, kann auf diese Weise eine sehr effektive thermische Anbindung des elektrischen Bauteils an den Kühlkörper erfolgen.
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Bei der Strukturierung der Oberseite des Kühlkörpers oder der Unterseite des elektrischen Bauteils können spanende oder additive Verfahren eingesetzt werden. Beispielweise wird auf der Oberseite des Kühlkörpers eine Erhebung ausgebildet, die eine nicht konstante Dicke aufweist und beispielsweise im Querschnitt dreieckförmig ausgebildet ist.
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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.
