DE102022113643A1

DE102022113643A1 - Electrical module

Info

Publication number: DE102022113643A1
Application number: DE102022113643.4A
Authority: DE
Inventors: Uwe Waltrich; Stanley BUCHERT
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-11-30

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, und ein elektrisches Bauteil (3), das auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht (22) angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist. Dabei umfasst das elektrische Modul (1) eine Oberseite (11), die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, an einer Leiterplatte (4) angeordnet zu werden, wobei das elektrische Modul (1) an seiner Oberseite (11) elektrische Modulkontakte (51-56) ausbildet. Es ist vorgesehen, dass das elektrische Modul (1) eine Mehrzahl von jeweils auf einem gesonderten keramischen Schaltungsträger (2) angeordneten elektrischen Bauteilen (3) umfasst, wobei jeweils ein elektrisches Bauteil (3) und ein keramischer Schaltungsträger (2) eine Untereinheit (100) des elektrischen Moduls (1) bilden, und wobei die Untereinheiten (100) über die elektrischen Modulkontakte (51-56) auf der Oberseite (11) des elektrischen Moduls (1) kontaktiert sind.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), and an electrical component ( 3), which is arranged on the top of the first metallization layer (22) and is electrically connected to it. The electrical module (1) comprises a top side (11), which is intended and designed to be arranged on a circuit board (4), the electrical module (1) having electrical module contacts (51-56) on its top side (11). ) trains. It is envisaged that the electrical module (1) comprises a plurality of electrical components (3), each arranged on a separate ceramic circuit carrier (2), with one electrical component (3) and one ceramic circuit carrier (2) forming a subunit (100). ) of the electrical module (1), and wherein the subunits (100) are contacted via the electrical module contacts (51-56) on the top (11) of the electrical module (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Modul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Anordnung eines solchen elektrischen Moduls an der Unterseite einer Leiterplatte.The invention relates to an electrical module according to the preamble of claim 1 and a method for arranging such an electrical module on the underside of a circuit board.

Es ist bekannt, zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Systemen mehrere Subsysteme parallel zu schalten, um die Leistung des Gesamtsystems zu erhöhen. Beispielsweise bestehen die logischen Schalter in leistungselektronischen Stellgliedern aus mehreren, elektrisch parallel geschalteten Leistungshalbleitern.In order to increase the performance of systems, it is known to connect several subsystems in parallel in order to increase the performance of the overall system. For example, the logical switches in power electronic actuators consist of several power semiconductors connected electrically in parallel.

Weiter ist es bekannt, einen einzelnen Leistungshalbleiter in einem elektrisch zur Umgebung isolierten elektrischen Modul, auch als Prepackage-Modul bezeichnet, anzuordnen, das über an seiner Oberseite ausgebildete Modulkontakte mit einer Hauptplatine verbindbar ist. Innerhalb eines solchen Prepackage-Moduls ist der Leistungshalbleiter auf einem keramische Schaltungsträger angeordnet, der eine Keramikschicht und eine darauf angeordnete Metallisierungsschicht auf Hochvoltpotential ausbildet und direkt oder über weitere Schichten mit einem Kühlkörper gekoppelt ist. Ein Beispiel für einen derartigen keramischen Schaltungsträger sind sogenannte DBC-Substrate (DBC = „Direct Bonded Copper“). Derartige keramische Schaltungsträger dienen der elektrischen Isolation des auf dem keramischen Schaltungsträger angeordneten Leistungshalbleiters zum Kühlkörper und gleichzeitig der thermischen Anbindung an den Kühlkörper.It is also known to arrange a single power semiconductor in an electrical module that is electrically insulated from the environment, also referred to as a prepackage module, which can be connected to a motherboard via module contacts formed on its top side. Within such a prepackage module, the power semiconductor is arranged on a ceramic circuit carrier, which forms a ceramic layer and a metallization layer arranged thereon at high voltage potential and is coupled to a heat sink directly or via further layers. An example of such a ceramic circuit carrier are so-called DBC substrates (DBC = “Direct Bonded Copper”). Such ceramic circuit carriers serve to electrically insulate the power semiconductor arranged on the ceramic circuit carrier from the heat sink and at the same time provide the thermal connection to the heat sink.

Durch die Kombination der beiden genannten Technologien, nämlich zum einen einer Parallelisierung im Sinne der parallelen Anordnung von Subsystemen und zum anderen einer Einzelisolation im Sinne der Ausbildung einzelner Subsysteme als elektrisch isolierte Prepackage-Module entsteht nachteilig ein erhöhter Platzbedarf auf einer Trägerplatine, die der Verschaltung der einzelnen Subsysteme bzw. Prepackage-Module dient. Dies hängt damit zusammen, dass zum einen bei der Montage der Prepackage-Module Fertigungstoleranzen einzuhalten und zum anderen Spalte zwischen den einzelnen Prepackage-Modulen erforderlich sind, um einen Verguss zwischen den Prepackage-Modulen und der Trägerplatine einbringen zu können, der eine elektrische Isolation im Bereich zwischen den Prepackage-Modulen und der Trägerplatine bereitstellt. Daher kommt es fertigungsbedingt zu ungenutztem Bauraum auf der Trägerplatine.The combination of the two technologies mentioned, namely, on the one hand, parallelization in the sense of the parallel arrangement of subsystems and, on the other hand, individual isolation in the sense of the formation of individual subsystems as electrically insulated prepackage modules, disadvantageously results in an increased space requirement on a carrier board that is used for the interconnection of the individual subsystems or prepackage modules. This is due to the fact that, on the one hand, manufacturing tolerances must be adhered to when assembling the prepackage modules and, on the other hand, gaps between the individual prepackage modules are required in order to be able to insert a potting between the prepackage modules and the carrier board, which provides electrical insulation in the Provides area between the prepackage modules and the carrier board. Therefore, due to manufacturing reasons, there is unused installation space on the carrier board.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Modul bereitzustellen, das dazu geeignet ist, den Bauraum, den eine Mehrzahl solcher elektrischer Module auf einer Trägerplatine einnimmt, zu reduzieren. Weiter soll ein Verfahren zur Anordnung eines solchen elektrischen Moduls an der Unterseite einer Leiterplatte bereitgestellt werden.The invention is accordingly based on the object of providing an electrical module that is suitable for reducing the installation space that a plurality of such electrical modules takes up on a carrier board. Furthermore, a method for arranging such an electrical module on the underside of a circuit board 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 ein elektrisches Modul, das einen keramischen Schaltungsträger aufweist, der eine isolierende Keramikschicht und eine auf der Oberseite der Keramikschicht angeordnete erste Metallisierungsschicht umfasst. Das elektrische Modul weist des Weiteren ein elektrisches Bauteil auf, das auf der Oberseite der ersten Metallisierungsschicht angeordnet und elektrisch mit dieser verbunden ist. Eine Oberseite des elektrischen Moduls ist dazu vorgesehen und ausgebildet, an einer Leiterplatte angeordnet zu werden, wobei das elektrische Modul an seiner Oberseite elektrische Modulkontakte ausbildet, die dazu vorgesehen und ausgebildet, mit zugeordneten elektrischen Kontakten der Leiterplatte in Kontakt zu treten.The invention then considers an electrical module that has a ceramic circuit carrier that includes an insulating ceramic layer and a first metallization layer arranged on the top of the ceramic layer. The electrical module further has an electrical component that is arranged on the top side of the first metallization layer and is electrically connected to it. A top side of the electrical module is intended and designed to be arranged on a circuit board, the electrical module forming electrical module contacts on its upper side, which are intended and designed to come into contact with associated electrical contacts of the circuit board.

Es ist vorgesehen, dass das elektrische Modul eine Mehrzahl von jeweils auf einem gesonderten keramischen Schaltungsträger angeordneten elektrischen Bauteilen umfasst, wobei jeweils ein elektrisches Bauteil und ein keramischer Schaltungsträger eine Untereinheit des elektrischen Moduls bilden, und wobei die Untereinheiten über die elektrischen Modulkontakte auf der Oberseite des elektrischen Moduls kontaktiert sind.It is envisaged that the electrical module comprises a plurality of electrical components each arranged on a separate ceramic circuit carrier, with an electrical component and a ceramic circuit carrier each forming a subunit of the electrical module, and with the subunits via the electrical module contacts on the top of the electrical module are contacted.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Mehrzahl von Untereinheiten in einem elektrischen Modul auszubilden, wobei jede Untereinheit einen keramischen Schaltungsträger und ein darauf angeordnetes elektronisches Bauteil umfasst. Statt elektrischer Module mit nur einem elektrischen Bauteil, auch als „Single-Chip-Prepackage-Module“ bezeichenbar, werden elektrische Module mit einer Mehrzahl elektrischer Bauteile, auch als „Multi-Chip-Prepackage-Module“ bezeichenbar, bereitgestellt, wobei jede Untereinheit einen gesonderten keramischen Schaltungsträger zu elektrischen Isolation zu einem Kühlkörper und thermischen Anbindung an den Kühlkörper aufweist. Durch die Integration einer Mehrzahl elektrischer Bauteile in ein elektrisches Modul werden die Spalte, die zwischen „Single-Chip-Prepackage-Modulen“ des Standes der Technik fertigungsbedingt vorhanden sind, vermieden und wird hierdurch Bauraum auf der Trägerplatine eingespart.The invention is based on the idea of forming a plurality of subunits in an electrical module, each subunit comprising a ceramic circuit carrier and an electronic component arranged thereon. Instead of electrical modules with only one electrical component, also referred to as “single-chip prepackage modules”, electrical modules are provided with a plurality of electrical components, also referred to as “multi-chip prepackage modules”, with each subunit having one has a separate ceramic circuit carrier for electrical insulation to a heat sink and thermal connection to the heat sink. By integrating a plurality of electrical components into an electrical module, the gaps that exist between prior art “single-chip prepackage modules” due to production are avoided and this saves installation space on the carrier board.

Ein weiterer, mit der erfindungsgemäßen Lösung verbundener Vorteil besteht darin, dass die einzelnen elektrischen Bauteile in größerer Nähe zueinander angeordnet sein können, als wenn sie in gesonderten „Single-Chip-Prepackage-Modulen“ nebeneinander angeordnet sind. Dies beruht auf dem Umstand, dass innerhalb des elektrischen Moduls durch das Trägermaterial des elektrischen Moduls eine hohe elektrische Isolation gegeben ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die elektrischen Bauteile in die Aufbaulagen einer Leiterplatte des elektrischen Moduls integriert sind. Das nichtleitende Trägermaterial einer Leiterplatte (z.B. FR-4) stellt eine Feststoffisolation im Inneren des Moduls bereit.Another advantage associated with the solution according to the invention is that the individual electrical components are in closer proximity can be arranged relative to each other, as if they were arranged next to each other in separate “single-chip prepackage modules”. This is based on the fact that there is a high level of electrical insulation within the electrical module due to the carrier material of the electrical module. For example, it can be provided that the electrical components are integrated into the structural layers of a circuit board of the electrical module. The non-conductive substrate of a circuit board (e.g. FR-4) provides solid insulation inside the module.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Durchbiegung eines erfindungsgemäßen „Multi-Chip-Prepackage-Moduls“, das eine Mehrzahl einzelner keramischer Substrate aufweist, kleiner ist als die Durchbiegung eines alternativen „Multi-Chip-Prepackage-Moduls“, das ein großes keramisches Substrat aufweist. Durch das Vermeiden oder Reduzieren einer Durchbiegung werden nachfolgende Prozessschritte wie Löten und Vergießen erleichtert.A further advantage is that the deflection of a “multi-chip prepackage module” according to the invention, which has a plurality of individual ceramic substrates, is smaller than the deflection of an alternative “multi-chip prepackage module” which has a large ceramic Has substrate. By avoiding or reducing deflection, subsequent process steps such as soldering and potting are made easier.

Es wird darauf hingewiesen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung stets diejenige Seite des elektrischen Moduls, die an einer Leiterplatte angeordnet wird, als Oberseite des elektrischen Moduls bezeichnet wird. Die Unterseite des elektrischen Moduls ist die Seite, die thermisch an einen Kühlkörper gekoppelt wird. Diese Definition gilt entsprechend auch für die einzelnen Komponenten des elektrischen Moduls. Beispielsweise wird als Unterseite des elektrischen Bauteils diejenige Seite des elektrischen Bauteils bezeichnet, die auf der ersten Metallisierungsschicht angeordnet ist. Die Oberseite des elektrischen Bauteils ist diejenige Seite des elektrischen Bauteils, die der ersten Metallisierungsschicht abgewandt und der Oberseite des elektrischen Moduls zugewandt ist. Natürlich kann das elektrische Modul mit seinen Komponenten auch umgedreht oder senkrecht angeordnet sein, wobei das elektrische Modul nach unten oder zur Seite zeigt.It should be noted that, for the purposes of the present invention, that side of the electrical module that is arranged on a circuit board is always referred to as the top of the electrical module. The bottom of the electrical module is the side that is thermally coupled to a heat sink. This definition also applies to the individual components of the electrical module. For example, the side of the electrical component that is arranged on the first metallization layer is referred to as the underside of the electrical component. The top side of the electrical component is the side of the electrical component that faces away from the first metallization layer and faces the top side of the electrical module. Of course, the electrical module with its components can also be turned upside down or arranged vertically, with the electrical module pointing downwards or to the side.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Untereinheiten in lateraler Anordnung im elektrischen Modul angeordnet sind. Dabei können die Untereinheiten in Ausführungsvarianten in Reihen und/oder Spalten in ein- oder zweidimensionaler Anordnung im elektrischen Modul angeordnet sein. Durch die Integration einer Mehrzahl von Untereinheiten mit jeweils einem elektrischen Bauteil und einem keramischen Schaltungsträger in ein elektrisches Modul kann die Geometrie der Anordnung der elektrischen Bauteile optimiert werden.One embodiment of the invention provides that the subunits are arranged in a lateral arrangement in the electrical module. In embodiment variants, the subunits can be arranged in rows and/or columns in a one- or two-dimensional arrangement in the electrical module. By integrating a plurality of subunits, each with an electrical component and a ceramic circuit carrier, into an electrical module, the geometry of the arrangement of the electrical components can be optimized.

Wie bereits erwähnt, sieht eine Ausgestaltung vor, dass der keramische Schaltungsträger und das elektrische Bauteil sämtlicher Untereinheiten in die Aufbaulagen einer Leiterplatte des elektrischen Moduls integriert sind. Eine solche Ausgestaltung wird auch als „Leiterplattenembedding“ bezeichnet. Durch die dadurch bereitgestellte Feststoffisolation im Inneren des Moduls können die Isolationsabstände reduziert und der Bauraum verkleinert werden.As already mentioned, one embodiment provides that the ceramic circuit carrier and the electrical component of all subunits are integrated into the structural layers of a circuit board of the electrical module. Such a design is also referred to as “circuit board embedding”. Due to the solid insulation provided inside the module, the insulation distances can be reduced and the installation space can be reduced.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in das elektrische Modul im Bereich zwischen den Untereinheiten sich vertikal erstreckende Durchgangslöcher eingebracht sind, die sich von der Unterseite des Moduls zur Oberseite des Moduls erstrecken und die dazu vorgesehen und geeignet sind, ein Vergussmaterial zwischen die Oberseite des Moduls und eine angrenzende Leiterplatte zu applizieren. So kann nach Platzierung des elektrischen Moduls an der Unterseite einer Leiterplatte durch diese Durchgangslöcher Vergussmaterial in den Bereich zwischen dem elektrischen Modul und der Leiterplatte appliziert werden. Die Durchgangslöcher stellen Einfüllpunkte für das Vergussmaterial bereit. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Vernetzung von allen Bereichen zwischen der Oberseite des Moduls und der angrenzenden Leiterplatte ermöglicht.A further embodiment provides that vertically extending through holes are introduced into the electrical module in the area between the subunits, which extend from the bottom of the module to the top of the module and which are intended and suitable for placing a potting material between the top of the module and to apply an adjacent circuit board. After placing the electrical module on the underside of a circuit board, potting material can be applied through these through holes into the area between the electrical module and the circuit board. The through holes provide filling points for the potting material. This enables reliable networking of all areas between the top of the module and the adjacent circuit board.

Eine Einbringung von Vergussmaterial von der Seite ist dagegen nicht erforderlich, so dass auch zwischen einzelnen erfindungsgemäßen Modulen (mit jeweils einer Mehrzahl von Untereinheiten) kein Bauabstand erforderlich ist.On the other hand, it is not necessary to introduce potting material from the side, so that no installation distance is required between individual modules according to the invention (each with a plurality of subunits).

Eine Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass die Durchgangslöcher in einer Anzahl und Größe in das elektrische Modul eingebracht sind, dass die Flexibilität des Moduls erhöht ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass sich jeweils eine gerade Reihe oder andere Ansammlung von Durchgangslöchern zwischen zwei Untereinheiten erstreckt. Dies ist vor folgendem Hintergrund zu sehen: Notwendigerweise nimmt ein elektrisches Modul mit einer Vielzahl von Untereinheiten eine größere Fläche ein als ein elektrisches Modul mit nur einem elektrischen Bauelement und einem zugeordneten keramischen Schaltungsträger. Aufgrund der größeren Maße kann es jedoch bei der Montage des elektrischen Moduls mittels Löten auf eine Trägerplatine leichter zu einer erhöhten Durchbiegung des elektrischen Moduls kommen. Dies wird dadurch verhindert oder reduziert, dass die genannten Durchgangslöcher zur Einfüllung eines Vergussmaterial zielgerichtet zur Verbesserung der Flexibilität des elektrischen Moduls genutzt werden. Hierzu wird die Anzahl der Durchgangslöcher erhöht. Die durch die Durchgangslöcher bereitgestellte Perforation des elektrischen Moduls reduziert eine Durchbiegung der Gesamtstruktur, da die einzelnen Untereinheiten bzw. deren Komponenten relativ zueinander flexibler sind und sich untereinander weniger beeinflussen.An embodiment variant of this provides that the through holes are made in the electrical module in a number and size that increases the flexibility of the module. For example, it can be provided that a straight row or other collection of through holes extends between two subunits. This can be seen against the following background: an electrical module with a large number of subunits necessarily takes up a larger area than an electrical module with only one electrical component and an associated ceramic circuit carrier. However, due to the larger dimensions, increased deflection of the electrical module can easily occur when the electrical module is assembled by soldering onto a carrier board. This is prevented or reduced by using the through holes mentioned to fill a potting material in a targeted manner to improve the flexibility of the electrical module. For this purpose, the number of through holes is increased. The perforation of the electrical module provided by the through holes reduces deflection of the overall structure, since the individual subunits or their components are more flexible relative to one another and have less influence on one another.

Es wird darauf hingewiesen, dass ein „Durchgangsloch“ im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Ein Durchgangsloch im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jede Durchbohrung, die sich von der Unterseite des Moduls zur Oberseite des Moduls erstreckt. Dabei kann das Durchgangsloch z.B. auch als Schlitz oder als Raute ausgebildet sein. Die Herstellung der Durchgangslöcher erfolgt beispielsweise durch Bohren oder Fräsen.It should be noted that a “through hole” within the meaning of the present invention does not necessarily have a circular cross section. A through hole for the purposes of the present invention is any through hole that extends from the bottom of the module to the top of the module. The through hole can also be designed, for example, as a slot or as a diamond. The through holes are produced, for example, by drilling or milling.

Die Durchgangslöcher können nach der Applikation des Vergussmaterials verschlossen werden.The through holes can be closed after the potting material has been applied.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass jede Untereinheit mindestens eine erste Durchkontaktierung aufweist, die sich von einem der Modulkontakte an der Oberseite des Moduls zu der ersten Metallisierungsschicht des keramischen Schaltungsträgers dieser Untereinheit erstreckt. Weiter kann vorgesehen sein, dass jede Untereinheit des Weiteren mindestens eine zweite Durchkontaktierung umfasst, die sich von einem weiteren der Modulkontakte an der Oberseite des Moduls bis zur Oberseite des elektrischen Bauteils erstreckt. Dabei wird bei jeder Untereinheit über die mindestens eine erste Durchkontaktierung ein Unterseitenpotential des elektrischen Bauteils und über die mindestens eine zweite Durchkontaktierung mindestens ein Oberseitenpotential des elektrischen Bauteils bereitgestellt.A further embodiment provides that each subunit has at least one first through-hole that extends from one of the module contacts on the top of the module to the first metallization layer of the ceramic circuit carrier of this subunit. Furthermore, it can be provided that each subunit further comprises at least one second via which extends from another of the module contacts on the top of the module to the top of the electrical component. In this case, for each subunit, a bottom side potential of the electrical component is provided via the at least one first plated-through hole and at least one top side potential of the electrical component is provided via the at least one second plated-through hole.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass über mehrere Durchkontaktierungen zwei Oberseitenpotentiale des elektrischen Bauteils bereitgestellt werden. Bei dem Unterseitenpotential handelt es sich beispielsweise um das Potential eines Drain-Anschlusses. Bei den Oberseitenpotentialen handelt sich beispielsweise um die Potentiale eines Source-Anschlusses und eines Gate-Anschlusses. Das elektrische Bauteil ist dabei beispielsweise ein Leistungstransistor oder ein anderer Leistungshalbleiter.In particular, it can be provided that two top potentials of the electrical component are provided via several 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.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der keramische Schaltungsträger jeder Untereinheit 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.A further embodiment provides that the ceramic circuit carrier of each subunit 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.

Die Anzahl der Untereinheiten, die in ein elektrisches Modul integriert ist, kann abhängig von der Anwendung und den Platzmöglichkeiten auf der Hauptplatine variieren. In einer Ausführungsvariante sind 2*n Untereinheiten in ein elektrisches Modul integriert, wobei n größer oder gleich 2 ist. Beispielsweise sind 8 oder 16 Untereinheiten in ein elektrisches Modul integriert.The number of subunits integrated into an electrical module can vary depending on the application and the space available on the motherboard. In one embodiment variant, 2*n subunits are integrated into an electrical module, where n is greater than or equal to 2. For example, 8 or 16 subunits are integrated into an electrical module.

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 eine Leiterplattenanordnung, die aufweist: eine Leiterplatte, die eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, und ein elektrisches Modul gemäß Anspruch 1, das an der Unterseite der Leiterplatte angeordnet ist. Dabei ist der Bereich zwischen der Unterseite der Leiterplatte und der Oberseite des elektrischen Moduls durch eine Vergussmasse elektrisch isoliert.In a further aspect of the invention, the present invention relates to a circuit board assembly comprising: a circuit board having a top and a bottom, and an electrical module according to claim 1 disposed on the bottom of the circuit board. The area between the underside of the circuit board and the top of the electrical module is electrically insulated by a casting compound.

Eine Ausgestaltung hierzu sieht vor, dass die elektrischen Bauteile des elektrischen Moduls über die Leiterplatte zu einem oder mehreren logischen Schaltern verschaltet sind, wobei für jeden logischen Schalter eine Mehrzahl der elektrischen Bauteile parallel geschaltet ist. Solche logischen Schalter werden beispielsweise in Wechselrichtern von Elektromotoren eingesetzt.One embodiment of this provides that the electrical components of the electrical module are connected via the circuit board to form one or more logical switches, with a plurality of the electrical components being connected in parallel for each logical switch. Such logical switches are used, for example, in inverters of electric motors.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das elektrische Modul über ein Wärmeleitmaterial thermisch an einen Kühlkörper angekoppelt ist. Bei dem Wärmematerial handelt es sich beispielsweise um eine Wärmeleitmatte oder eine Wärmeleitpaste. Über das Wärmeleitmaterial werden Verkippungen und Unebenheiten ausgeglichen und erfolgt eine thermische Ankopplung des elektrischen Bauteils jeder Untereinheit an einen Kühlkörper.A further embodiment provides that the electrical module is thermally coupled to a heat sink via a heat-conducting material. The heat material is, for example, a heat-conducting mat or a heat-conducting paste. Tilting and unevenness are compensated for via the heat-conducting material and the electrical component of each subunit is thermally coupled to a heat sink.

In einem weiteren Erfindungsaspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Anordnung eines erfindungsgemäßen elektrischen Moduls an der Unterseite einer Leiterplatte. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Bereitstellen eines erfindungsgemäßen elektrischen Moduls,
- Einbringen von Durchgangslöchern in das elektrische Modul, die sich außerhalb der Untereinheiten von der Unterseite des Moduls zur Oberseite des Moduls erstrecken,
- Anordnen des elektrischen Moduls mit seiner Oberseite an der Unterseite einer Leiterplatte und Löten des elektrischen Moduls auf die Leiterplatte,
- Applizieren eines Vergussmaterials in den Bereich zwischen der Oberseite des elektrischen Moduls und der Unterseite der Leiterplatte, wobei das Vergussmaterial über die Durchgangslöcher eingebracht wird, und
- Verschließen der Durchgangslöcher.

In a further aspect of the invention, the present invention relates to a method for arranging an electrical module according to the invention on the underside of a circuit board. The procedure includes the steps:

- Providing an electrical module according to the invention,
- introducing through holes in the electrical module, which extend outside the subunits from the bottom of the module to the top of the module,
- arranging the electrical module with its top side on the underside of a circuit board and soldering the electrical module onto the circuit board,
- Applying a potting material to the area between the top of the electrical module and the bottom of the conductors plate, whereby the potting material is introduced via the through holes, and
- Closing the through holes.

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 an der Unterseite einer Leiterplatte angeordnet ist, wobei das elektrische Modul mehrere lateral angeordnete Untereinheiten umfasst, die jeweils ein elektrisches Bauteil und einen keramischen Schaltungsträger aufweisen;
2 schematisch den Übergang von einer Ausgestaltung gemäß der 5 zu einer Ausgestaltung gemäß der 1;
3 ein elektrisches Modul entsprechend der 1, wobei in das Modul eine Vielzahl von Durchgangslöchern eingebracht ist;
4 ein weiteres elektrisches Modul entsprechend der 1, wobei in das Modul eine Vielzahl von Durchgangslöchern eingebracht ist und die Durchgangslöcher in Reihen angeordnet sind, die sich zwischen einzelnen Untereinheiten des elektrischen Moduls erstrecken;
5 mehrere nicht entsprechend der Erfindung ausgebildete elektrische Module, die an der Unterseite einer Leiterplatte angeordnet sind; und
6 ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Anordnung eines elektrischen Moduls an der Unterseite einer Leiterplatte.

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 that is arranged on the underside of a circuit board, the electrical module comprising a plurality of laterally arranged subunits, each of which has an electrical component and a ceramic circuit carrier;
2 schematically the transition from an embodiment according to 5 to a design in accordance with 1 ;
3 an electrical module according to the 1 , wherein a plurality of through holes are made in the module;
4 another electrical module according to the 1 , wherein a plurality of through holes are formed in the module and the through holes are arranged in rows that extend between individual subunits of the electrical module;
5 a plurality of electrical modules not designed according to the invention, which are arranged on the underside of a circuit board; and
6 a flowchart of the process steps of a method for arranging an electrical module on the underside of a circuit board.

Zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung wird zunächst ein nicht gemäß der Erfindung ausgebildetes elektrisches Modul anhand der 5 erläutert.For a better understanding of the background of the present invention, an electrical module not designed according to the invention is first shown using 5 explained.

Die 5 zeigt eine Mehrzahl von elektrischen Modulen 1', die an der Unterseite einer Leiterplatte 4 angeordnet. Die elektrischen Module 1' werden auch als Prepackage-Module bezeichnet und stellen elektrisch isolierte Subsysteme dar. Dabei kann vorgesehen sein, dass mehrere der elektrischen Module 1' über eine elektrische Verschaltung in der Leiterplatte 4 parallel geschaltet sind. Jedes der elektrischen Module 1' ist in identischer Weise ausgebildet, so dass die nachfolgende Beschreibung für jedes der Module 1' gilt.The 5 shows a plurality of electrical modules 1 ', which are arranged on the underside of a circuit board 4. The electrical modules 1' are also referred to as prepackage modules and represent electrically isolated subsystems. It can be provided that several of the electrical modules 1' are connected in parallel via an electrical circuit in the circuit board 4. Each of the electrical modules 1' is designed in an identical manner, so that the following description applies to each of the modules 1'.

Das elektrische Modul 1' weist einen keramischen Schaltungsträger 2 und ein auf diesem angeordnetes elektrisches Bauteil 3 auf. Es umfasst eine Oberseite 11 und eine Unterseite 12, die zueinander parallel verlaufen. Das elektrische Modul 1' ist mit seiner Oberseite 11 an der Unterseite 402 der Leiterplatte 4 angeordnet, die eine Trägerplatine darstellt, an der eine Vielzahl elektrischer Module 1' und weitere Komponenten angeordnet sind. Die Kontaktierung des elektrischen Moduls 1' erfolgt ausschließlich über an der Oberseite 11 ausgebildete Kontakte 51, 52, wie noch erläutert wird.The electrical module 1' has a ceramic circuit carrier 2 and an electrical component 3 arranged thereon. It includes a top 11 and a bottom 12, which run parallel to each other. The electrical module 1' is arranged with its top 11 on the underside 402 of the circuit board 4, which represents a carrier board on which a large number of electrical modules 1' and other components are arranged. The electrical module 1' is contacted exclusively via contacts 51, 52 formed on the top 11, as will be explained below.

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 (Si3N4). The metallization layers 22, 23 consist, for example, of copper, aluminum, silver or tungsten.

Auf der ersten Metallisierungsschicht 22 ist beispielsweise 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. 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 wie zum Beispiel einen Leistungs-MOSFET oder ein IGBT-Bauteil, der als Chip ausgebildet ist. Es handelt sich beispielsweise um Leistungshalbleiter eines Wechselrichters oder allgemein eines Stromrichters, der für den Betrieb eines Elektromotors vorgesehen ist, wobei mehrere der Leistungshalbleiter zur Bildung eines logischen Schalters des Stromrichters parallel geschaltet sind.The electrical component 3 is arranged on the first metallization layer 22, for example 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. The top 31 and the bottom 32 can be metallized, for example copper-plated. The electrical component 3 is, for example, a power semiconductor such as a power MOSFET or an IGBT component, which is designed as a chip. These are, for example, power semiconductors of an inverter or, in general, a power converter that is intended for the operation of an electric motor, with several of the power semiconductors being connected in parallel to form a logical switch of the power converter.

Der keramische Schaltungsträger 2 und das elektrische Bauteil 3 sind im Rahmen eines sogenannten Leiterplattenembedding in die Aufbaulagen einer Modul-Leiterplatte 17 des elektrischen Moduls 1' integriert, wobei die einzelnen Lagen der Modul-Leiterplatte 17 nicht gesondert dargestellt sind. Dabei definiert die Modul-Leiterplatte 17 die Außenmaße des elektrischen Moduls 1'. Die Modul-Leiterplatte 17 (nachfolgend der Einfachheit halber als Leiterplatte 17 bezeichnet) umfasst eine Oberseite, die auch die Oberseite 11 des Moduls 1' bildet. Die Unterseite der Leiterplatte 17 verläuft bündig mit der unteren Metallisierungsschicht 23.The ceramic circuit carrier 2 and the electrical component 3 are integrated into the construction layers of a module circuit board 17 of the electrical module 1 'as part of a so-called circuit board embedding, the individual layers of the module circuit board 17 not being shown separately. The module circuit board 17 defines the external dimensions of the electrical module 1 '. The module circuit board 17 (hereinafter referred to as circuit board 17 for the sake of simplicity) comprises a top side, which also forms the top side 11 of the module 1′. The underside of the circuit board 17 runs flush with the lower metallization layer 23.

Der keramische Schaltungsträger 2 ist mit seiner an der Unterseite der Keramikschicht 21 angeordneten Metallisierungsschicht 23 über ein Wärmeleitmaterial 65 mit einem Kühlkörper 6 verbunden. Alternativ kann die Metallisierungsschicht 23 direkt mit dem Kühlkörper 6 verbunden sein. Das Wärmeleitmaterial 65 wird auch als thermisches Schnittstellenmaterial TIM (TIM = „thermal interface material“) bezeichnet. Ein thermisches Schnittstellenmaterial wird eingesetzt, um einen Spalt zwischen dem zu kühlenden elektrischen Modul 1' und der Oberfläche des Kühlkörpers 6 thermisch zu überbrücken. Es kann beispielsweise als Wärmeleitmatte oder als Wärmeleitpaste ausgebildet sein.The ceramic circuit carrier 2 is connected to a heat sink 6 with its metallization layer 23 arranged on the underside of the ceramic layer 21 via a heat-conducting material 65. Alternatively, the metallization layer 23 can be connected directly to the heat sink 6. The thermal interface material 65 is also called thermal interface material TIM (TIM = “thermal interface “material”). A thermal interface material is used to thermally bridge a gap between the electrical module 1 'to be cooled and the surface of the heat sink 6. It can be designed, for example, as a heat-conducting mat or as a thermal paste.

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. Über den Kühlkörper 6 wird dabei 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 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. 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.

Die Oberseite 11 der Leiterplatte 17 bzw. des Moduls 1' bildet eine Mehrzahl von elektrischen Modulkontakten 51, 52 aus. Diese Modulkontakte 51, 52 dienen dazu, schematisch dargestellte elektrische Kontakte 41, 42 der Leiterplatte bzw. Trägerplatine 4 zu kontaktieren, an deren Unterseite 402 das elektrische Modul 1 angeordnet wird. Dabei wird das Modul 1' auf die Unterseite 402 der Leiterplatte 4 gelötet. Die 5 zeigt entsprechende Lotschichten 8 zwischen den jeweiligen Kontakten 51, 52, 41, 42.The top 11 of the circuit board 17 or the module 1 'forms a plurality of electrical module contacts 51, 52. These module contacts 51, 52 serve to contact schematically shown electrical contacts 41, 42 of the circuit board or carrier board 4, on the underside 402 of which the electrical module 1 is arranged. The module 1 'is soldered to the underside 402 of the circuit board 4. The 5 shows corresponding solder layers 8 between the respective contacts 51, 52, 41, 42.

Von den an der Oberseite 11 ausgebildete Modulkontakten 51, 52 erstrecken sich Durchkontaktierungen in das Innere des Moduls 1. Als Durchkontaktierung wird dabei eine innen metallisierte Bohrung bezeichnet. So erstrecken sich von dem Modulkontakt 51 (und gegebenenfalls weiteren, nicht gesondert dargestellten Modulkontakten) Durchkontaktierungen 91 zur Oberseite 31 des elektrischen Bauteils 3. Des Weiteren erstreckt sich eine Durchkontaktierung 92 von dem Modulkontakt 52 zur ersten Metallisierungsschicht 22. Dabei kann zur Kontaktierung des elektrischen Bauteils 3 und zur Kontaktierung der ersten Metallisierungsschicht 22 eine größere Anzahl an Durchkontaktierungen vorgesehen sein, die hintereinander angeordnet und in der Schnittdarstellung der 5 daher nicht erkennbar sind.Through-holes extend from the module contacts 51, 52 formed on the top 11 into the interior of the module 1. An internally metallized hole is referred to as a through-hole. Thus, plated-through holes 91 extend from the module contact 51 (and possibly other module contacts not shown separately) to the top 31 of the electrical component 3. Furthermore, a plated-through hole 92 extends from the module contact 52 to the first metallization layer 22. This can be used to contact the electrical component 3 and for contacting the first metallization layer 22 a larger number of plated-through holes can be provided, which are arranged one behind the other and shown in the sectional view 5 are therefore not recognizable.

Die elektrische Anbindung der Oberseite des elektrischen Bauteils 3 erfolgt über die Durchkontaktierungen 91. Diese stellen beispielsweise einen Source-Anschluss und einen Gate-Anschluss des elektrischen Bauteils 3 bereit. Das Unterseitenpotential des elektrischen Bauteils 3, das beispielsweise einen Drain-Anschluss des elektrischen Bauteils 3 darstellt, wird über die Durchkontaktierungen 92 und die obere Metallisierungsschicht 22 des keramischen Schaltungsträgers 2 bereitgestellt.The electrical connection of the top side of the electrical component 3 takes place via the plated-through holes 91. These provide, for example, a source connection and a gate connection of the electrical component 3. The underside potential of the electrical component 3, which represents, for example, a drain connection of the electrical component 3, is provided via the vias 92 and the upper metallization layer 22 of the ceramic circuit carrier 2.

Der Bereich zwischen der Oberseite 11 des elektrischen Moduls 1' und der Unterseite 402 der Leiterplatte 4 ist mit einem Vergussmaterial 7 vergossen, das der elektrischen Isolierung dient. Das Vergussmaterial 7 wird dabei von der Seite in den Zwischenraum zwischen Modul 1' und Leiterplatte 4 eingebracht, nachdem das elektrische Modul 1' auf die Unterseite 402 der Leiterplatte 4 gelötet worden ist. Für das seitliche Einbringen des Vergussmaterials 7 ist es erforderlich, Spalte 120 zwischen den einzelnen elektrischen Module 1' vorzusehen. Dies führt zu einem ungenutzten Bauraum B zwischen den einzelnen elektrischen Modulen 1'.The area between the top 11 of the electrical module 1 'and the bottom 402 of the circuit board 4 is cast with a potting material 7, which serves for electrical insulation. The potting material 7 is introduced from the side into the space between module 1 'and circuit board 4 after the electrical module 1' has been soldered to the underside 402 of circuit board 4. For the lateral introduction of the potting material 7, it is necessary to provide gaps 120 between the individual electrical modules 1'. This leads to unused installation space B between the individual electrical modules 1'.

Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Danach ist an der Unterseite einer Leiterplatte 4 ein elektrisches Modul 1 angeordnet, das eine Mehrzahl von identischen Untereinheiten 100 aufweist, wobei jede Untereinheit 100 einen keramischen Schaltungsträger 2 und ein auf dem keramischen Schaltungsträger 2 angeordnetes elektrisches Bauteil 3 aufweist. Der keramische Schaltungsträger 2 und das elektrische Bauteil 3 jeder Untereinheit 100 entsprechen dabei dem keramischen Schaltungsträger 2 und dem elektrischen Bauteil 3 des elektrischen Moduls 1' der 5, so dass auf die diesbezüglichen Erläuterungen Bezug genommen wird.The 1 shows an embodiment of the present invention. Thereafter, an electrical module 1 is arranged on the underside of a circuit board 4, which has a plurality of identical subunits 100, each subunit 100 having a ceramic circuit carrier 2 and an electrical component 3 arranged on the ceramic circuit carrier 2. The ceramic circuit carrier 2 and the electrical component 3 of each subunit 100 correspond to the ceramic circuit carrier 2 and the electrical component 3 of the electrical module 1 ' 5 , so that reference is made to the relevant explanations.

Die Untereinheiten 100 sind in lateraler Anordnung im elektrischen Modul angeordnet. Dabei können die Untereinheiten 100 gemäß der 1 in einer Reihe angeordnet sein. Alternativ sind die Untereinheiten 100 in Reihen und Spalten angeordnet und bilden beispielsweise ein Schachbrettmuster.The subunits 100 are arranged in a lateral arrangement in the electrical module. The subunits 100 according to the 1 be arranged in a row. Alternatively, the subunits 100 are arranged in rows and columns, for example forming a checkerboard pattern.

An der Oberseite 11 des elektrischen Moduls 1 sind eine Mehrzahl von Modulkontakten 51-56 vorgesehen, die in elektrischem Kontakt mit entsprechenden elektrischen Kontakten 41-46 an der Unterseite 402 der Leiterplatte stehen. So ist das Modul 1 über Lotschichten 9 auf die Unterseite 402 der Leiterplatte 4 gelötet.On the top 11 of the electrical module 1, a plurality of module contacts 51-56 are provided, which are in electrical contact with corresponding electrical contacts 41-46 on the underside 402 of the circuit board. The module 1 is soldered to the underside 402 of the circuit board 4 via solder layers 9.

Die Modulkontakte 51, 53, 55 dienen über Durchkontaktierungen 91, 93, 95 der Kontaktierung der Oberseite des jeweiligen elektrischen Bauteils 3, während die Modulkontakte 52, 54, 56 über Durchkontaktierungen 92, 94, 96 der Kontaktierung der jeweiligen oberen Metallisierungsschicht 22 des elektrischen Schaltungsträgers 2 der jeweiligen Untereinheit 100 dienen. Über die Modulkontakte 51-56 werden beispielsweise für jede Untereinheit 100 ein Source-Anschluss und einen Gate-Anschluss auf der Oberseite des elektrischen Bauteils 3 und ein Drain-Anschluss an der Unterseite des elektrischen Bauteils 3 bereitgestellt.The module contacts 51, 53, 55 are used to contact the top of the respective electrical component 3 via plated-through holes 91, 93, 95, while the module contacts 52, 54, 56 are used to contact the respective upper metallization layer 22 of the electrical circuit carrier via plated-through holes 92, 94, 96 2 of the respective subunit 100 serve. Via the module contacts 51-56, for example, a source connection and a gate connection are provided for each subunit 100 on the top of the electrical construction partly 3 and a drain connection on the underside of the electrical component 3 provided.

Die Unterseite 12 des elektrischen Moduls 1 ist über ein Wärmeleitmaterial 65 mit einem Kühlkörper 6 verbunden. Insofern wird auf die Ausführungen zu 5 hingewiesen.The underside 12 of the electrical module 1 is connected to a heat sink 6 via a heat-conducting material 65. In this respect, let's turn to the comments 5 pointed out.

Die Untereinheiten 100 bzw. deren Komponenten 2, 3 sind in die Aufbaulagen einer Leiterplatte 17 integriert, die das elektrische Modul 1 ausbildet. Da das Trägermaterial einer Leiterplatte (z.B. FR-4) eine Feststoffisolation im Inneren des Moduls bereitstellt, ist es möglich, die einzelnen Untereinheiten 100 in einer geringeren räumlichen Nähe zueinander anzuordnen, als dies bei elektrischen Modulen mit jeweils nur einem elektrischen Bauteil gemäß der 5 möglich ist. Darüber hinaus fallen im Vergleich zu der Anordnung gemäß der 5 die Spalte 120 zwischen den einzelnen elektrischen Modulen weg. Hierdurch wird insgesamt ein erheblicher freier Bauraum A auf der Leiterplatte 4 geschaffen.The subunits 100 or their components 2, 3 are integrated into the construction layers of a circuit board 17, which forms the electrical module 1. Since the carrier material of a circuit board (e.g. FR-4) provides solid insulation inside the module, it is possible to arrange the individual subunits 100 in closer spatial proximity to one another than is the case with electrical modules each having only one electrical component according to the 5 is possible. In addition, compared to the arrangement according to the 5 Remove the column 120 between the individual electrical modules. This creates a significant amount of free installation space A on the circuit board 4.

Die Untereinheiten 100 bzw. deren elektrische Bauteile 3 können über die Leiterplatte 4 zu einem oder mehreren logischen Schaltern verschaltet sein.The subunits 100 or their electrical components 3 can be connected via the circuit board 4 to form one or more logical switches.

Zwischen der Oberseite 11 des elektrischen Moduls und der Unterseite 402 der Leiterplatte ist ein Vergussmaterial 7 ausgebildet, das der elektrischen Isolation der Kontakte 51-56, 41-46 und allgemein des Bereichs zwischen dem Modul 1 und der Leiterplatte 4 dient. Die Einbringung der Vergussmasse 7 erfolgt beispielsweise über Durchgangslöcher, die im elektrischen Modul ausgebildet sind, wie anhand der 3 und 4 beschrieben wird.A potting material 7 is formed between the top 11 of the electrical module and the bottom 402 of the circuit board, which serves to electrically insulate the contacts 51-56, 41-46 and generally the area between the module 1 and the circuit board 4. The casting compound 7 is introduced, for example, via through holes that are formed in the electrical module, as shown in FIG 3 and 4 is described.

Die 2 illustriert schematisch den Übergang von einer Anordnung gemäß der 5 zu einer Anordnung gemäß der 1. Gemäß der oberen Reihe der 2 sind mehrere elektrische Module 1' mit jeweils nur einem elektrischen Bauteil - „Single-Chip-Prepackage-Module“ - vorgesehen, die zueinander beabstandet an der Unterseite einer Leiterplatte angeordnet werden. Gemäß der unteren Reihe der 2 sind jeweils ein keramischer Schaltungsträger und ein darauf angeordnetes elektrisches Bauteil zu Untereinheiten 100 zusammengefasst und ist eine Mehrzahl solcher Untereinheiten 100 in einem elektrischen Modul 1, einem „Multi-Chip-Prepackage-Module“ zusammengeführt. Die Länge des elektrischen Moduls 1 ist dabei deutlich geringer als die Länge der Summe der elektrischen Einzelmodule 1'.The 2 schematically illustrates the transition from an arrangement according to 5 to an order in accordance with 1 . According to the top row of the 2 several electrical modules 1' are provided, each with only one electrical component - "single-chip prepackage modules" - which are arranged at a distance from one another on the underside of a circuit board. According to the bottom row of the 2 a ceramic circuit carrier and an electrical component arranged thereon are combined to form subunits 100 and a plurality of such subunits 100 are combined in an electrical module 1, a “multi-chip prepackage module”. The length of the electrical module 1 is significantly shorter than the length of the sum of the individual electrical modules 1 '.

Gemäß der 3 sind in das elektrische Modul 1 sich vertikal erstreckende Durchgangslöcher 10 eingebracht, die sich von der Unterseite des Moduls 1 zur Oberseite des Moduls 1 erstrecken. Die Durchgangslöcher 10 erstrecken sich dabei außerhalb der Untereinheiten 100 im elektrischen Modul 1. Diese Durchgangslöcher 10 bilden Einfüllpunkte für die Applikation eines Vergussmaterials 7, das gemäß der 1 den Bereich zwischen der Oberseite 11 des Moduls 1 und der Unterseite 402 der Leiterplatte 4 ausfüllt. Die Durchgangslöcher 10 können statt eines kreisförmigen Querschnitts einen davon abweichenden Querschnitt aufweisen, beispielsweise als Schlitze oder Rauten ausgebildet sein.According to the 3 vertically extending through holes 10 are introduced into the electrical module 1, which extend from the bottom of the module 1 to the top of the module 1. The through holes 10 extend outside the subunits 100 in the electrical module 1. These through holes 10 form filling points for the application of a potting material 7, which according to 1 fills the area between the top 11 of the module 1 and the bottom 402 of the circuit board 4. Instead of a circular cross-section, the through holes 10 can have a cross-section that deviates from this, for example they can be designed as slots or diamonds.

Gemäß der 4 können die Durchgangslöcher 10 dabei zusätzlich dazu genutzt werden, zielgerichtet die Flexibilität des elektrischen Moduls 1 zu verbessern. Hierzu ist die Anzahl der Durchgangslöcher 10 erhöht und kann vorgesehen sein, dass diese in bestimmter Art und Weise angeordnet sind. So ist gemäß der 4 vorgesehen, dass die Durchgangslöcher 10 in Reihen 101 angeordnet sind, die sich jeweils zwischen zwei Untereinheiten 100 erstrecken. Hierdurch werden unterschiedliche Bereiche des elektrischen Moduls 1, in denen unterschiedliche Untereinheiten 100 ausgebildet sind, im Hinblick auf beim Löten auf die Leiterplatte 4 auftretende Spannungen mechanisch in gewissem Maße entkoppelt, da über die Reihen 101 von Durchgangslöchern 10 die entsprechenden Bereiche des elektrischen Moduls 1 sich weniger gegenseitig beeinflussen.According to the 4 The through holes 10 can also be used to specifically improve the flexibility of the electrical module 1. For this purpose, the number of through holes 10 is increased and it can be provided that they are arranged in a specific way. This is according to the 4 provided that the through holes 10 are arranged in rows 101, each of which extends between two subunits 100. As a result, different areas of the electrical module 1, in which different subunits 100 are formed, are mechanically decoupled to a certain extent with regard to the stresses that occur when soldering to the circuit board 4, since the corresponding areas of the electrical module 1 are located via the rows 101 of through holes 10 influence each other less.

Die 6 zeigt die Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Anordnung eines elektrischen Moduls 1 gemäß den 1 bis 4 auf der Unterseite einer Leiterplatte. In Schritt 601 wird ein erfindungsgemäßes elektrisches Modul bereitgestellt, das eine Mehrzahl von Untereinheiten aufweist, die jeweils einen keramischen Schaltungsträger und ein elektrisches Bauteil umfassen.The 6 shows the process steps of a method for arranging an electrical module 1 according to 1 until 4 on the bottom of a circuit board. In step 601, an electrical module according to the invention is provided which has a plurality of subunits, each of which comprises a ceramic circuit carrier and an electrical component.

Anschließend werden in Schritt 602 Durchgangslöcher in das elektrische Modul eingebracht, wobei sich die Durchgangslöcher außerhalb der Untereinheiten von der Unterseite des Moduls bis zur Oberseite des Moduls erstrecken. Das Einbringen der Durchgangslöcher kann beispielsweise durch Bohren erfolgen.Subsequently, in step 602, through holes are made in the electrical module, with the through holes extending outside the subunits from the bottom of the module to the top of the module. The through holes can be introduced, for example, by drilling.

Im folgenden Schritt 603 wird das elektrische Modul mit seiner Oberseite an der Unterseite einer Leiterplatte angeordnet. Weiter wird das elektrische Modul auf die Unterseite der Leiterplatte gelötet, wobei wie in Bezug auf die 1 erläutert die jeweiligen Kontakte 51 - 56, 41-46 miteinander in Kontakt geraten. Nach dem Lötvorgang wird gemäß Schritt 604 ein Vergussmaterial in den Bereich zwischen der Oberseite des elektrischen Moduls und der Unterseite der Leiterplatte appliziert. Dabei wird das Vergussmaterial über die Durchgangslöcher den Zwischenraum eingebracht. Damit ist eine Befüllung des Zwischenraums von der Seite nicht erforderlich.In the following step 603, the electrical module is arranged with its top side on the underside of a circuit board. Next, the electrical module is soldered to the bottom of the circuit board, as in relation to 1 explains the respective contacts 51 - 56, 41-46 come into contact with each other. After the soldering process, according to step 604, a potting material is applied to the area between the top of the electrical module and the bottom of the circuit board. The casting material is passed through the through holes Space introduced. This means that it is not necessary to fill the gap from the side.

Abschließend können die Durchgangslöcher gemäß Schritt 605 wieder verschlossen werden, so dass eine vollständige Feststoffisolation im Inneren des elektrischen Moduls 1 wieder bereitgestellt ist.Finally, the through holes can be closed again according to step 605, so that complete solid insulation is provided again inside the electrical module 1.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Figuren, anhand derer die vorliegende Erfindung an Ausführungsbeispielen erläutert wurde, nicht notwendigerweise maßstabsgemäß gezeichnet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Metallisierungsschichten 22, 23 dünner ausgebildet sind als die Keramikschicht 21.It should be noted that the figures used to explain the present invention using exemplary embodiments are not necessarily drawn to scale. For example, it can be provided that the metallization layers 22, 23 are made thinner than the ceramic layer 21.

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

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, - 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 module contacts (51-56) on its top side (11), which are intended and designed to come into contact with associated electrical contacts (41-46) of the circuit board (4), characterized in that Electrical module (1) comprises a plurality of electrical components (3), each arranged on a separate ceramic circuit carrier (2), each electrical component (3) and a ceramic circuit carrier (2) forming a subunit (100) of the electrical module (1 ), and wherein the subunits (100) are contacted via the electrical module contacts (51-56) on the top (11) of the electrical module (1).

Module after Claim 1 , characterized in that the subunits (100) are arranged in a lateral arrangement in the electrical module (1).

Module after Claim 1 or 2 , characterized in that the ceramic circuit carrier (2) and the electrical component (3) of all subunits (100) are integrated into the construction layers of a circuit board (17) of the electrical module (1).

Module according to one of the preceding claims, characterized in that vertically extending through holes (10) are introduced into the electrical module (1) in the area between the subunits (100), which extend from the underside (12) of the module (1). Top (11) of the module (1) extend and which are intended and suitable for applying a potting material (7) between the top (11) of the module (1) and an adjacent circuit board (4).

Module after Claim 4 , characterized in that the through holes (10) are made in the electrical module (1) in a number and size that the flexibility of the module (1) is increased.

Module after Claim 5 , characterized in that a row (101) of through holes (10) extends between two subunits (100).

Module according to one of the preceding claims, characterized in that each subunit (100) has at least one first via (92, 94, 96) extending from one of the module contacts (52, 54, 56) on the top (11) of the module (1) extends to the first metallization layer (22) of the ceramic circuit carrier (2) of this subunit (100).

Module after Claim 7 , characterized in that each subunit (100) further comprises at least one second via (91, 93, 95) which extends from another of the module contacts (51, 53, 55) on the top (11) of the module (1) extends to the top of the electrical component (3).

Module after Claim 8 , characterized in that for each subunit (100) there is a bottom side potential of the electrical component (3) via the at least one first via (92, 94, 96) and at least one via the at least one second via (91, 93, 95). Top potential of the electrical component (3) can be provided.

Module according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic circuit carrier (2) of each subunit (100) further has a second metallization layer (23) arranged on the underside of the ceramic layer (21).

Module according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical component (3) of each subunit (100) is a semiconductor component, in particular a power semiconductor.

Circuit board arrangement, which has: - a circuit board (4) which has a top (401) and a bottom (402), - an electrical module (1) according to Claim 1 , which is arranged on the underside (402) of the circuit board (4), - the area between the underside (401) of the circuit board (4) and the top (11) of the electrical module (1) being electrically protected by a potting compound (7). is isolated.

Circuit board arrangement according to Claim 12 , characterized in that the electrical components (3) of the electrical module (1) are connected via the circuit board (4) to form one or more logical switches, a plurality of the electrical components (3) being connected in parallel for each logical switch.

Circuit board arrangement according to Claim 12 or 13 , characterized in that the electrical module (1) is thermally coupled to a heat sink (6) via a heat-conducting material (65).

Method for arranging an electrical module according to Claim 1 on the underside (401) of a circuit board (4) with the steps: - Providing (601) an electrical module (1) according to Claim 1 , - introducing (602) through holes (10) into the electrical module (1), which extend outside the subunits (100) from the bottom (12) of the module (1) to the top (11) of the module (1), - Arranging (603) the electrical module (1) with its top side (11) on the underside (401) of a circuit board (4) and soldering the electrical module (1) to the circuit board (4), - Applying (604) a potting material (7) in the area between the top (11) of the electrical module (1) and the bottom (402) of the circuit board (4), the potting material (7) being introduced via the through holes (10), and - closing (605 ) of the through holes (10).