DE102022122799A1 - Electronic module and method for producing such an electronic module - Google Patents
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Abstract
Elektronikmodul (100), insbesondere Leistungselektronikmodul, umfassend- ein als Träger dienendes Metall-Keramik-Substrat (1) mit einem Keramikelement (10) und einer primären Bauteilmetallisierung (21) und vorzugsweise mit einer Kühlseitenmetallisierung (20),- eine Isolationsschicht (40), die unmittelbar oder mittelbar an die primäre Bauteilmetallisierung (21) angebunden ist, und- eine sekundäre Bauteilmetallisierung (22), die an der dem Keramikelement (10) abgewandten Seite der Isolationsschicht (40) angebunden ist und insbesondere von der primären Bauteilmetallisierung (21) durch die Isolationsschicht (40) isoliert ist,wobei das Keramikelement (10) eine erste Größe (L, D) und die Isolationsschicht (40) eine zweite Größe (L1, D1) aufweist und wobei zur Ausbildung einer inselartigen Isolationsschicht (40) auf der primären Bauteilmetallisierung (21) ein Verhältnis der zweiten Größe (L1, ID1) zu der ersten Größe (L, D) einen Wert annimmt, der kleiner als 0,4, bevorzugt kleiner als 0,22 und besonders bevorzugt kleiner als 0,15 oder sogar kleiner als 0,1 ist undwobei in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene (HSE) verlaufenden Richtung gesehen eine Außenseite (A) der sekundären Bauteilmetallisierung (22) und eine Außenseite (A) der ersten Bauteilmetallisierung (21) im Wesentlichen auf einer gemeinsamen Höhe abschließen.Electronic module (100), in particular power electronics module, comprising- a metal-ceramic substrate (1) serving as a carrier with a ceramic element (10) and a primary component metallization (21) and preferably with a cooling side metallization (20),- an insulating layer (40) , which is connected directly or indirectly to the primary component metallization (21), and - a secondary component metallization (22), which is connected to the side of the insulating layer (40) facing away from the ceramic element (10) and in particular from the primary component metallization (21) is insulated by the insulation layer (40), the ceramic element (10) having a first size (L, D) and the insulation layer (40) having a second size (L1, D1) and wherein to form an island-like insulation layer (40) on the primary component metallization (21) a ratio of the second size (L1, ID1) to the first size (L, D) assumes a value that is less than 0.4, preferably less than 0.22 and particularly preferably less than 0.15 or is even smaller than 0.1 and, viewed in a direction perpendicular to the main extension plane (HSE), an outside (A) of the secondary component metallization (22) and an outside (A) of the first component metallization (21) essentially end at a common height.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronikmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Elektronikmoduls.The present invention relates to an electronic module and a method for producing an electronic module.
Aus dem Stand der Technik sind Elektronikmodule, insbesondere aus der Leistungselektronik bekannt, bei denen Metall-Keramik-Substrate als Leiterplatten dienen. Metall-Keramik-Substrate sind beispielsweise als Leiterplatten oder Platinen aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der
Aus der
Aus der
In den oben genannten Beispielen können Kompaktheit des Substrats, thermischer Widerstand und niedriginduktive Stromführung nur auf Kosten einer der genannten Größen verbessert werden.In the examples mentioned above, compactness of the substrate, thermal resistance and low-inductance current conduction can only be improved at the expense of one of the variables mentioned.
Hiervon ausgehend macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, ein Elektronikmodul bereitzustellen, dass es gestattet, Kompaktheit, thermischen Widerstand und Stromführung zu optimieren, ohne dass eine der Größen signifikant verschlechtert wird.Based on this, the present invention sets itself the task of providing an electronic module that allows compactness, thermal resistance and current conduction to be optimized without any of the variables being significantly worsened.
Die Aufgabe wird durch ein Elektronikmodul gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.The object is achieved by an electronic module according to claim 1 and by a method according to
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Elektronikmodul, insbesondere Leistungselektronikmodul, vorgesehen, umfassend
- - ein als Träger dienendes Metall-Keramik-Substrat mit einem Keramikelement und einer primären Bauteilmetallisierung und vorzugsweise mit einer Kühlseitenmetallisierung,
- - eine Isolationsschicht, die unmittelbar oder mittelbar an die primäre Bauteilmetallisierung angebunden ist, und
- - eine sekundäre Bauteilmetallisierung, die an der dem Keramikelement abgewandten Seite der Isolationsschicht angebunden ist und insbesondere von der primären Bauteilmetallisierung durch die Isolationsschicht isoliert ist,
wobei das Keramikelement eine erste Größe und die Isolationsschicht eine zweite Größe aufweist und wobei zur Ausbildung einer inselartigen Isolationsschicht auf der primären Bauteilmetallisierung ein Verhältnis der zweiten Größe zu der ersten Größe einen Wert annimmt, der kleiner als 0,4, bevorzugt kleiner als 0,22 und besonders bevorzugt kleiner als 0,15 oder sogar kleiner als 0,1 ist,
wobei in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung gesehen eine Außenseite der sekundären Bauteilmetallisierung und eine Außenseite der ersten Bauteilmetallisierung im Wesentlichen auf einer gemeinsamen Höhe abschließen,
wobei die primäre Bauteilmetallisierung im Wesentlichen der Anbindung von Elektronikbauteilen, insbesondere von Leistungselektronikbauteilen und besonders bevorzugt von aktiven elektrischen Bauteilen, und die sekundäre Bauteilmetallisierung im Wesentlichen als Leiterbahn zur Signalführung und/oder zur Führung eines Laststroms dient.According to a first aspect, an electronics module, in particular a power electronics module, is provided, comprising
- - a metal-ceramic substrate serving as a carrier with a ceramic element and a primary component metallization and preferably with a cooling side metallization,
- - an insulation layer that is directly or indirectly connected to the primary component metallization, and
- - a secondary component metallization, which is connected to the side of the insulating layer facing away from the ceramic element and is in particular insulated from the primary component metallization by the insulating layer,
wherein the ceramic element has a first size and the insulation layer has a second size and wherein, in order to form an island-like insulation layer on the primary component metallization, a ratio of the second size to the first size assumes a value that is less than 0.4, preferably less than 0.22 and particularly preferably less than 0.15 or even less than 0.1,
wherein, viewed in a direction perpendicular to the main extension plane, an outside of the secondary component metallization and an outside of the first component metallization essentially end at a common height,
wherein the primary component metallization essentially serves to connect electronic components, in particular power electronic components and particularly preferably active electrical components, and the secondary component metallization essentially serves as a conductor track for signal routing and/or for guiding a load current.
Im Gegensatz zum Stand der Technik sieht es die vorliegende Erfindung vor, dass die sekundäre Bauteilmetallisierung, die auf der Isolationsschicht angeordnet ist, im Wesentlichen zur Signalübertragung oder zur Führung eines Laststroms verwendet wird, während die elektrischen Bauteile, insbesondere Hochleistungsbauteile, auf der primären Bauteilmetallisierung angeordnet oder angebunden sind. Dies erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch gewährleistet werden kann, dass zwischen Elektronikbauteil und Keramikelement keine Isolationsschicht angeordnet ist, die andernfalls den thermischen Widerstand erhöhen würde. Dies wäre allerdings der Fall, wenn die Isolationsschicht sich vollflächig, insbesondere auch unterhalb des elektrischen Bauteils, erstrecken würde, da die vom elektrischen Bauteil ausgehende Wärme sowohl die Isolationsschicht als auch das Keramikelement passieren müsste.In contrast to the prior art, the present invention provides that the secondary component metallization, which is arranged on the insulation layer, is essentially used for signal transmission or for carrying a load current, while the electrical components, in particular high-performance components, are arranged on the primary component metallization or are connected. This proves to be particularly advantageous because it can ensure that no insulation layer is arranged between the electronic component and the ceramic element, which would otherwise increase the thermal resistance. However, this would be the case if the Isola tion layer would extend over the entire surface, in particular below the electrical component, since the heat emanating from the electrical component would have to pass through both the insulation layer and the ceramic element.
Daher wird durch die Nutzung der sekundären Bauteilmetallisierung für Signale der thermische Widerstand des gesamten Elektronikmoduls optimiert, wodurch auch maximale Ausgangsleistungen des Systems genutzt werden können. Gleichzeitig wird die Kompaktheit des Elektronikmoduls erhöht, da die sekundären Bauteilmetallisierungen für eine Signalführung und/oder zur Führung eines Laststroms in dem Bereich vorgesehen sind, in dem bereits die primäre Bauteilmetallisierung angeordnet ist. Es ist somit möglich, eine weitere Verdrahtungsebene einzuführen, wodurch die Funktionalität pro Flächeneinheit des Elektronikmoduls erhöht werden kann. Gleichzeitig sorgt der gemeinsame Abschluss der Außenseite auf der gemeinsamen Höhe dafür, dass die Bestückbarkeit mit Halbleiter begünstigt wird und insbesondere keine vorspringenden Ebenen bzw. Metallisierungen existieren, die einer Kompaktheit des Elektronikmoduls zuwiderlaufen würden.Therefore, by using the secondary component metallization for signals, the thermal resistance of the entire electronic module is optimized, which means that maximum output power of the system can also be used. At the same time, the compactness of the electronic module is increased since the secondary component metallizations are provided for signal routing and/or for guiding a load current in the area in which the primary component metallization is already arranged. It is therefore possible to introduce a further wiring level, whereby the functionality per unit area of the electronic module can be increased. At the same time, the common termination of the outside at the common height ensures that the equipping with semiconductors is favored and, in particular, that there are no protruding levels or metallizations that would contradict the compactness of the electronic module.
Insbesondere dient dabei die sekundäre Bauteilmetallisierung als Leiterbahn zur Signalführung und/oder zur Führung eines Laststroms. Insbesondere ist die sekundäre Bauteilmetallisierung frei von Leistungselektronikbauteilen bzw. Hochleistungselektronikbauteilen. Besonders bevorzugt ist die sekundäre Bauteilmetallisierung frei von aktiven elektrischen Bauteilen. Unter einem Leistungselektronikbauteil und/oder einem Hochleistungselektronikbauteil ist insbesondere ein solches zu verstehen, das mindestens ein aktives Bauteil umfasst und/oder Bestandteil eines Laststromkreises ist. Insbesondere handelt es sich um solche elektrischen Bauteile, deren Verlustleistung größer ist als 20 W, bevorzugt größer als 50 W und besonders bevorzugt größer als 100 W. Beispiele für solche Leistungselektronikbauteile sind Transistoren und Dioden, FETs, Halbleiterbauteile und/oder Hochstromdioden. Insbesondere ist unter „im Wesentlichen“ in dem hier stehenden Zusammenhang zu verstehen, dass die primäre Bauteilmetallisierung nicht nur ausschließlich zur Anbindung von Elektronikbauteilen vorgesehen sein ist. Wenn allerdings elektrische Bauteile, insbesondere Hochleistungsbauteile, vorgesehen sind, sind diese an einem Teil der primären Bauteilmetallisierung angeordnet. Gleiches gilt für die sekundäre Bauteilmetallisierung. Hier ist es vorgesehen, dass im Wesentlichen die sekundäre Bauteilmetallisierung frei ist von Leistungselektronik und/oder Hochleistungselektronik.In particular, the secondary component metallization serves as a conductor track for signal routing and/or for guiding a load current. In particular, the secondary component metallization is free of power electronic components or high-performance electronic components. The secondary component metallization is particularly preferably free of active electrical components. A power electronics component and/or a high-performance electronics component is to be understood in particular as one that includes at least one active component and/or is part of a load circuit. In particular, these are electrical components whose power loss is greater than 20 W, preferably greater than 50 W and particularly preferably greater than 100 W. Examples of such power electronic components are transistors and diodes, FETs, semiconductor components and/or high-current diodes. In particular, “essentially” in the context here means that the primary component metallization is not only intended exclusively for connecting electronic components. However, if electrical components, in particular high-performance components, are provided, they are arranged on a part of the primary component metallization. The same applies to the secondary component metallization. It is intended here that the secondary component metallization is essentially free of power electronics and/or high-performance electronics.
Sofern es sich bei der sekundären Bauteilmetallisierung um eine Leiterbahn, die zur Führung eines Laststroms dient, handelt, erweist es sich als besonders vorteilhaft, die durch Ströme in der ersten Bauteilmetallisierung und der zweiten Bauteilmetallisierung antiparallel verlaufen zu lassen, da auf diese Weise eine entsprechende Kompensation durch entgegengesetzt gerichtete induktive Effekte besondere wirkungsvoll ist. Dabei führt die zweite Bauteilmetallisierung zur Führung eines Laststroms einen Strom, der mindestens 20 A, bevorzugt mindestens 50 A und besonders bevorzugt größer als 100 A groß ist. Weiterhin ist es vorstellbar, dass ein Abstand zwischen erster Bauteilmetallisierung und zweiter Bauteilmetallisierung kleiner ist als 10 mm, bevorzugt kleiner als 5 mm und besonders bevorzugt kleiner als 2,5 mm, insbesondere entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung gemessen.If the secondary component metallization is a conductor track that is used to guide a load current, it proves to be particularly advantageous to let the currents in the first component metallization and the second component metallization run anti-parallel, since in this way a corresponding compensation is achieved is particularly effective due to oppositely directed inductive effects. In this case, the second component metallization leads to a load current that is at least 20 A, preferably at least 50 A and particularly preferably greater than 100 A. Furthermore, it is conceivable that a distance between the first component metallization and the second component metallization is smaller than 10 mm, preferably smaller than 5 mm and particularly preferably smaller than 2.5 mm, in particular measured along a direction running parallel to the main extension plane.
Unter der ersten Größe und/oder der zweiten Größe werden die jeweiligen Volumen der Isolationsschicht und/oder des Keramikelements verstanden. In diese erste Größe bzw. die zweite Größe fließen somit sowohl eine flächige Ausdehnung der inselartigen Isolationsschicht bzw. des Keramikelements ein, gemessen in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Ebene, sowie deren Dicke, gemessen entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung, ein. Die inselartige Ausbildung der Isolationsschicht ermöglicht somit, dass gezielt große Bereiche von der inselartigen Isolationsschicht frei bleiben, die zur Anbindung von primären Bauteilmetallisierungen von Elektronikbauteilen an die primäre Bauteilmetallisierung genutzt werden können. Dadurch wird mit Vorteil verhindert, dass der thermische Widerstand in den lokalen Bereichen der Elektronikbauteile entsprechend erhöht wird. Dies tritt allerdings regelmäßig dann auf, wenn die Isolationsschicht sich über große Teile der primären Bauteilmetallisierung erstreckt.The first size and/or the second size are understood to mean the respective volumes of the insulation layer and/or the ceramic element. This first size or the second size therefore includes both a surface extent of the island-like insulation layer or the ceramic element, measured in a plane running parallel to the main extension plane, and its thickness, measured along a direction running perpendicular to the main extension plane. The island-like design of the insulation layer thus enables large areas to remain free of the island-like insulation layer, which can be used to connect primary component metallization of electronic components to the primary component metallization. This advantageously prevents the thermal resistance in the local areas of the electronic components from being increased accordingly. However, this regularly occurs when the insulation layer extends over large parts of the primary component metallization.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die sekundäre Bauteilmetallisierung zur Laststromführung, insbesondere zur Realisierung von DC+- und/oder DC-Leitungen verwendet wird. Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die sekundäre Bauteilmetallisierung als Gateleitungen verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, bei der Nutzung der sekundären Bauteilmetallisierung als Signalführungsleitung bzw. oder zur Führung eines Laststroms diese geringer, insbesondere dünner, zu dimensionieren als die primäre Bauteilmetallisierung, die zusätzlich auch zur Wärmeführung der thermischen Energie vorgesehen ist, die von den elektrischen Bauteilen ausgeht und einer Wärmespreizung unterliegt. Dadurch ist es trotzdem möglich, eine gemeinsame Außenseite zu gestalten, die auf einer gemeinsamen Höhe abschließt. Gleichzeitig ist der Bereich der primären Bauteilmetallisierung, der unterhalb des elektrischen Bauteils angeordnet ist, dicker, insbesondere dicker als die sekundäre Bauteilmetallisierung. Dabei ist das Elektronikmodul, insbesondere die sekundäre Bauteilmetallisierung zur Bildung von Signalführung oder zur Führung eines Laststroms entsprechend kontaktiert bzw. sieht entsprechende Bereiche bzw. Anschlussflächen vor, sodass Signalströme durch die sekundäre Bauteilmetallisierung fließen können.It is preferably provided that the secondary component metallization is used to carry load current, in particular to realize DC+ and/or DC lines. Furthermore, it is preferably provided that the secondary component metallization is used as gate lines. In particular, when using the secondary component metallization as a signal routing line or for guiding a load current, it is possible to dimension it smaller, in particular thinner, than the primary component metallization, which is also provided for heat conduction of the thermal energy emanating from the electrical components and is subject to heat spread. This means it is still possible to design a common outside area that ends at a common height. At the same time, the area of the primary component metallization, which is arranged below the electrical component, thicker, especially thicker than the secondary component metallization. The electronic module, in particular the secondary component metallization, is contacted accordingly to form signal routing or to conduct a load current or provides corresponding areas or connection surfaces so that signal currents can flow through the secondary component metallization.
Bevorzugt ist eine inselartige Isolationsschicht vorgesehen, mit der insbesondere eine elektrische Isolation zwischen der primären Bauteilmetallisierung und der sekundären Bauteilmetallisierung realisiert wird. Dadurch ist man nicht mehr zwingend auf die Ausbildung von elektrischen Leitungen oder Leitungsbahnen im Rahmen einer Strukturierung der primären Bauteilmetallisierung angewiesen, sondern kann durch die Isolationsschicht verschiedene elektrische Bauteile bzw. elektrisch isolierend voneinander anordnen bzw. gezielt Verbindungen einrichten, ohne dass hierfür eine Strukturierung der primären Bauteilmetallisierung zwingend erforderlich ist. Vorzugsweise ist dabei die Isolationsschicht unmittelbar an die primäre Bauteilmetallisierung angebunden.An island-like insulation layer is preferably provided, with which in particular electrical insulation is achieved between the primary component metallization and the secondary component metallization. As a result, one is no longer necessarily dependent on the formation of electrical lines or conductor tracks as part of structuring the primary component metallization, but rather can use the insulation layer to arrange various electrical components or electrically insulating them from one another or to set up targeted connections without having to structure the primary ones Component metallization is absolutely necessary. The insulation layer is preferably connected directly to the primary component metallization.
Alternativ ist es vorstellbar, dass bspw. die Isolationsschicht Teil eines weiteren, insbesondere kleineren Metall-Keramik-Substrats ist, das wiederum auf dem als Träger dienenden größeren Metall-Keramik-Substrats platziert wird und im Rahmen eines DCB- oder Aktivlötverfahrens oder mittels Klebstoffs an das Metall-Keramik-Substrat angebunden ist. Insbesondere handelt es sich bei der Isolationsschicht um eine vergleichsweise dünne, aus Keramik gefertigte, Isolationsschicht, die zur elektrischen Isolation der sekundären Bauteilmetallisierung von der primären Bauteilmetallisierung beiträgt. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Elektronikmodul bzw. die Anordnung von der primären Bauteilmetallisierung und der sekundären Bauteilmetallisierung nicht vollständig in eine Verkapselung oder ein Gehäuse eingebettet ist. Vorzugsweise ist die Isolationsschicht in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Ebene zu allen Seiten umgeben von der primären Bauteilmetallisierung. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht am Rand der primären Bauteilmetallisierung angeordnet ist, so dass die Isolationsschicht in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Ebene höchstens zu drei oder zwei Seiten umgeben ist von der primären Bauteilmetallisierung.Alternatively, it is conceivable that, for example, the insulation layer is part of a further, in particular smaller, metal-ceramic substrate, which in turn is placed on the larger metal-ceramic substrate serving as a carrier and is attached as part of a DCB or active soldering process or by means of adhesive the metal-ceramic substrate is connected. In particular, the insulation layer is a comparatively thin insulation layer made of ceramic, which contributes to the electrical isolation of the secondary component metallization from the primary component metallization. In particular, it is provided that the electronic module or the arrangement of the primary component metallization and the secondary component metallization is not completely embedded in an encapsulation or a housing. Preferably, the insulation layer is surrounded on all sides by the primary component metallization in a plane running parallel to the main extension plane. Alternatively, it is also conceivable that the insulation layer is arranged at the edge of the primary component metallization, so that the insulation layer is surrounded by the primary component metallization on at most three or two sides in a plane running parallel to the main extension plane.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die primäre bzw. sekundäre Bauteilmetallisierung und/oder die Kühlseitenmetallisierung unmittelbar und direkt an die Isolationsschicht bzw. das Keramikelement angebunden ist, beispielsweise angebunden mittels eines DCB-Verfahrens, eines AMB-Verfahrens, eines heißisostatischen Pressens, eines Diffusionsbondverfahren, mittels Dickschichttechnik oder mittels einer Dünnschichttechnik. Ferner umfasst das Metall-Keramik-Substrat bzw. das weitere Metall-Keramik-Substrat mindestens eine Metallschicht, beispielsweise als Teil der Kühlseitenmetallisierung oder der primären bzw. sekundären Bauteilmetallisierung, die an einer Außenseite des Keramikelements bzw. der Isolationsschicht stoffschlüssig angebunden ist, wobei sich die Metallschicht und das Keramikelement entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken und entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Stapelrichtung übereinander angeordnet sind. Als Materialien für die Metallisierungen bzw. den Metallabschnitte, d. h. für die primäre Bauteilmetallisierung, die sekundäre Bauteilmetallisierung, die Kühlseitenmetallisierung und/oder eine Rückseitenmetallisierung sind Kupfer, Aluminium, Molybdän und/oder deren Legierungen, sowie Laminate wie CuW, CuMo, CuAI, AlCu und/oder CuCu vorstellbar, insbesondere eine Kupfer-Sandwichstruktur mit einer ersten Kupferschicht und einer zweiten Kupferschicht, wobei sich eine Korngröße in der ersten Kupferschicht von einer zweiten Kupferschicht unterscheidet. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die mindestens eine Metallisierung, d. h. die primäre Bauteilmetallisierung oder sekundäre Bauteilmetallisierung, oberflächenmodifiziert ist. Als Oberflächenmodifikation ist beispielsweise eine Versiegelung mit einem Edelmetall, insbesondere Silber und/oder Gold, oder ENIG („electroless nickel immersion gold“) oder ein Kantenverguss an der ersten bzw. zweiten Metallisierungsschicht zur Unterdrückung einer Rissbildung bzw. -weitung denkbar.Furthermore, it is provided that the primary or secondary component metallization and/or the cooling side metallization is directly and directly connected to the insulation layer or the ceramic element, for example connected by means of a DCB process, an AMB process, a hot isostatic pressing, a diffusion bonding process, by means of Thick-film technology or using thin-film technology. Furthermore, the metal-ceramic substrate or the further metal-ceramic substrate comprises at least one metal layer, for example as part of the cooling side metallization or the primary or secondary component metallization, which is bonded to an outside of the ceramic element or the insulation layer, wherein the metal layer and the ceramic element extend along a main extension plane and are arranged one above the other along a stacking direction running perpendicular to the main extension plane. As materials for the metallization or the metal sections, i.e. H. For the primary component metallization, the secondary component metallization, the cooling side metallization and/or a back side metallization, copper, aluminum, molybdenum and/or their alloys, as well as laminates such as CuW, CuMo, CuAl, AlCu and/or CuCu are conceivable, in particular a copper sandwich structure a first copper layer and a second copper layer, wherein a grain size in the first copper layer differs from a second copper layer. Furthermore, it is preferably provided that the at least one metallization, i.e. H. the primary component metallization or secondary component metallization is surface modified. Possible surface modifications include, for example, sealing with a precious metal, in particular silver and/or gold, or ENIG ("electroless nickel immersion gold") or edge casting on the first or second metallization layer to suppress crack formation or widening.
Vorzugsweise umfasst das Keramikelement und/oder die Isolationsschicht mindestens eine Keramikschicht, wobei die Keramikschicht Al2O3, Si3N4, AlN, eine HPSX-Keramik (d. h. eine Keramik mit einer Al2O3- Matrix, die einen x-prozentigen Anteil an ZrO2 umfasst, beispielsweise Al2O3 mit 9% ZrO2 = HPS9 oder Al2O3 mit 25% ZrO2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, hochdichtes MgO (> 90% der theoretischen Dichte), TSZ (tetragonal stabilisiertes Zirkonoxid) oder ZTA. Es ist dabei auch vorstellbar, dass die Isolationsschicht oder das Keramikelement als Verbund- bzw. Hybridkeramik ausgebildet ist, bei der zur Kombination verschiedener gewünschter Eigenschaften mehrere Keramikschichten, die sich jeweils in Hinblick auf ihre materielle Zusammensetzung unterscheiden, übereinander angeordnet und zu einer Isolationsschicht zusammengefügt sind. Vorzugsweise wird eine möglichst wärmeleitfähige Keramik für einen möglichst geringen Wärmewiderstand verwendet. Es ist auch vorstellbar, dass im Keramikelement oder in der Isolationsschicht zwischen zwei Keramikschichten eine metallische Zwischenschicht angeordnet ist.Preferably, the ceramic element and/or the insulation layer comprises at least one ceramic layer, wherein the ceramic layer is Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , AlN, a HPSX ceramic (ie a ceramic with an Al 2 O 3 matrix which has an x percent Proportion of ZrO 2 includes, for example Al 2 O 3 with 9% ZrO 2 = HPS9 or Al 2 O 3 with 25% ZrO 2 = HPS25), SiC, BeO, MgO, high density MgO (> 90% of theoretical density), TSZ (tetragonally stabilized zirconium oxide) or ZTA. It is also conceivable that the insulation layer or the ceramic element is designed as a composite or hybrid ceramic, in which several ceramic layers, each of which differ in terms of their material composition, are arranged one above the other and joined together to form an insulation layer in order to combine various desired properties . Preferably, a ceramic that is as thermally conductive as possible is used for the lowest possible thermal resistance. It is also conceivable that a metallic intermediate layer is arranged in the ceramic element or in the insulation layer between two ceramic layers.
Das elektrische Bauteil ist vorzugsweise ein schaltbares Bauteile bzw. aktives oder passives Bauteil. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein WBG-Halbleiter (wide bandgap semiconductors), wie z. B. einem Halbleiter aus Siliziumcarbid, Galliumnitrid und/oder Indiumgalliumnitrid. Beispiele für ein elektronisches Bauteil sind MOSFETs („metal-oxide-semiconductor field-effect transistor“) oder IGBTs („insulated-gate bipolar transistor“).The electrical component is preferably a switchable component or active or passive construction part. This is preferably a WBG semiconductor (wide bandgap semiconductors), such as. B. a semiconductor made of silicon carbide, gallium nitride and / or indium gallium nitride. Examples of an electronic component are MOSFETs (“metal-oxide-semiconductor field-effect transistor”) or IGBTs (“insulated-gate bipolar transistor”).
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die primäre Bauteilmetallisierung zur Ausbildung eines ersten Metallabschnitts und eines zweiten Metallabschnitts derart strukturiert ist, dass der erste Metallabschnitt und der zweite Metallabschnitt voneinander elektrisch isoliert sind, wobei in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung gesehen die Außenseite der sekundären Bauteilmetallisierung im ersten Metallabschnitt und der Außenseite der primären Bauteilmetallisierung im zweiten Metallabschnitt im Wesentlichen auf einer gemeinsamen Höhe abschließt.According to an advantageous embodiment, it is provided that the primary component metallization is structured to form a first metal section and a second metal section in such a way that the first metal section and the second metal section are electrically insulated from one another, with the outside of the, viewed in a direction perpendicular to the main extension plane secondary component metallization in the first metal section and the outside of the primary component metallization in the second metal section essentially ends at a common height.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die gesamte Außenseite auf der Bauteilseite auf einer gemeinsamen Höhe abschließt, unabhängig ob es sich um den ersten oder zweiten Metallabschnitt, insbesondere aber auch unabhängig davon, ob es sich um die primäre Bauteilmetallisierung oder sekundäre Bauteilmetallisierung handelt. Durch die elektrische Isolation zwischen dem ersten Metallabschnitt und dem zweiten Metallabschnitt können der erste und zweite Metallabschnitt vollständig unabhängig voneinander genutzt werden, wodurch die Komplexität der Leiterplatte in vorteilhafter Weise erhöht werden kann, insbesondere in Hinblick auf Kompaktheit der Funktionsfähigkeit pro Flächeneinheit des Elektronikmoduls.It is preferably provided that the entire outside on the component side ends at a common height, regardless of whether it is the first or second metal section, but in particular also regardless of whether it is the primary component metallization or secondary component metallization. Due to the electrical insulation between the first metal section and the second metal section, the first and second metal sections can be used completely independently of one another, whereby the complexity of the circuit board can be increased in an advantageous manner, particularly with regard to compact functionality per unit area of the electronic module.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Außenseite der primären Bauteilmetallisierung im ersten Metallabschnitt mit der Außenseite der sekundären Bauteilmetallisierung im ersten Metallabschnitt auf einer gemeinsamen Höhe abschließt. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine direkte Verbindung zwischen der primären Bauteilmetallisierung und der sekundären Bauteilmetallisierung im ersten Metallabschnitt zu realisieren, insbesondere durch Nutzung von entsprechenden Querleitungen. Durch die gemeinsame Höhe, auf der die primäre Bauteilmetallisierung und die sekundäre Bauteilmetallisierung abschließen, wird die Realisierung von solchen Verbindungen vereinfacht, insbesondere die Anschlussmöglichkeit über Drahtbondverfahren.In particular, it is provided that the outside of the primary component metallization in the first metal section ends at a common height with the outside of the secondary component metallization in the first metal section. This makes it possible in an advantageous manner to realize a direct connection between the primary component metallization and the secondary component metallization in the first metal section, in particular by using corresponding cross lines. The common height at which the primary component metallization and the secondary component metallization terminate simplifies the implementation of such connections, in particular the connection option using wire bonding processes.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die primäre Bauteilmetallisierung insbesondere eine der primären Bauteilmetallisierung zugeordnete maximale Dicke im Wesentlichen derjenigen Dicke entspricht, die der Kühlseitenmetallisierung zugeordnet ist. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Isolationsschicht in einem Rücksprung und/oder einem rückspringenden Verlauf der primären Bauteilmetallisierung angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Isolationsschicht mit der sekundären Bauteilmetallisierung ist versenkt in der primären Bauteilmetallisierung, um eine entsprechende kompakte Ausgestaltung bereitzustellen.Furthermore, it is preferably provided that the primary component metallization, in particular a maximum thickness assigned to the primary component metallization, essentially corresponds to the thickness that is assigned to the cooling side metallization. Furthermore, it is preferably provided that the insulation layer is arranged in a recess and/or a recessed course of the primary component metallization. In other words, the insulation layer with the secondary component metallization is sunk into the primary component metallization in order to provide a correspondingly compact design.
Alternativ oder ergänzend ist es vorstellbar, dass die primäre Bauteilmetallisierung einen sockelähnlichen Vorsprung bildet, auf dem eine Isolationsschicht angeordnet ist, die insbesondere gegenüber dem sockelartigen Vorsprung in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung vorsteht. Dadurch können die entsprechenden sekundären Bauteilmetallisierungen und primären Bauteilmetallisierungen an den jeweiligen Anwendungsfall optimal angepasst werden, insbesondere auch unter Berücksichtigung der elektrischen Isolation zwischen primärer Bauteilmetallisierung und sekundärer Bauteilmetallisierung.Alternatively or additionally, it is conceivable that the primary component metallization forms a base-like projection on which an insulating layer is arranged, which projects in particular relative to the base-like projection in a direction that runs parallel to the main extension plane. As a result, the corresponding secondary component metallization and primary component metallization can be optimally adapted to the respective application, in particular also taking into account the electrical insulation between the primary component metallization and secondary component metallization.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die primäre Bauteilmetallisierung die Isolationsschicht an mindestens zwei Seiten, bevorzugt mindestens drei Seiten, besonders bevorzugt an mindestens vier Seiten kontaktiert. Vorzugsweise wird eine stoffschlüssige Verbindung geschaffen. Insbesondere kontaktiert die primäre Bauteilmetallisierung die Isolationsschicht an der ersten Seite, der zweiten Seite, der dritten Seite und der vierten Seite. Die erste Seite und die vierte Seite liegen im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene und sind einander gegenüberliegend entlang einer Richtung angeordnet, die senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft.It is preferably provided that the primary component metallization contacts the insulation layer on at least two sides, preferably at least three sides, particularly preferably on at least four sides. Preferably, a cohesive connection is created. In particular, the primary component metallization contacts the insulation layer on the first side, the second side, the third side and the fourth side. The first side and the fourth side are substantially parallel to the main extension plane and are arranged opposite one another along a direction that is perpendicular to the main extension plane.
Die dritte Seite und zweite Seite verlaufen im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene und verbinden die erste und vierte Seite der Isolationsschicht. Durch die Bedeckung bzw. Kontaktierung der ersten, der zweiten, der dritten und der vierten Seite ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Isolationsschicht einzubetten in die primäre Bauteilmetallisierung, wodurch ein zusätzlicher Formschluss zwischen primärer Bauteilmetallisierung und Isolationsschicht gebildet wird, der sich als vorteilhaft für die Langlebigkeit und die elektrische Isolation in dem Elektronikbauteil erwiesen hat. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die erste und/oder vierte Seite der Isolationsschicht zumindest teilweise frei ist von einem Kontakt mit der primären Bauteilmetallisierung. Dadurch kann die elektrische Isolation zwischen sekundärer Bauteilmetallisierung und primärer Bauteilmetallisierung an den Bedarfsfall angepasst werden, insbesondere eines erforderlichen Pullbacks.The third side and second side run essentially perpendicular to the main extension plane and connect the first and fourth sides of the insulation layer. By covering or contacting the first, second, third and fourth sides, it is advantageously possible to embed the insulation layer in the primary component metallization, whereby an additional positive connection is formed between the primary component metallization and the insulation layer, which is advantageous for the longevity and electrical insulation in the electronic component has been proven. It is preferably provided that the first and/or fourth side of the insulation layer is at least partially free of contact with the primary component metallization. As a result, the electrical insulation between the secondary component metallization and primary component metallization can be adapted to the need, in particular a required pullback.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Elektronikmodul eine weitere Isolationsschicht aufweist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, zusätzliche Verdrahtungsebenen platzsparend in das Elektronikmodul einzufügen, wodurch die Funktionalität pro Flächeneinheit des Elektronikmoduls weiter erhöht werden kann. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die Isolationsschicht und die weitere Isolationsschicht in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung höhenversetzt zueinander angeordnet sind. Unter Berücksichtigung, dass die Außenseite der sekundären Bauteilmetallisierung mit der Außenseite der primären Bauteilmetallisierung auf gleicher Höhe abschließt, hat die Ausbildung der Isolationsschicht und der weiteren Isolationsschicht auf unterschiedlichen Höhen den Vorteil, dass die erste Dicke und zweite Dicke der sekundären Bauteilmetallisierung und/oder der weiteren sekundären Bauteilmetallisierung an den jeweiligen Bedarfsfall und Platzbedarf angepasst werden kann. Beispielsweise ist es dadurch möglich, durch eine geringere erste Höhe größere erste Dicken der sekundären Bauteilmetallisierung zu realisieren, wodurch bei gleicher Fähigkeit zur Stromführung die Breite dieser Leitungen, insbesondere der sekundären Bauteilmetallisierung entlang einer parallel zur Haupterstreckungsrichtung verlaufenden Richtung geringer gehalten werden kann, das heißt schmaler ausgebildet werden kann. Dadurch wird die Flexibilität in Hinblick auf den jeweiligen Anwendungsfalls weiter optimiert und die Gestaltungsfreiheit bei dem Entwurf der Leiterplatte weiter erhöht.It is preferably provided that the electronic module has a further insulation layer points. This makes it advantageously possible to insert additional wiring levels into the electronic module in a space-saving manner, whereby the functionality per unit area of the electronic module can be further increased. In particular, it is provided that the insulation layer and the further insulation layer are arranged at a height offset from one another in a direction perpendicular to the main extension plane. Taking into account that the outside of the secondary component metallization is at the same height as the outside of the primary component metallization, the formation of the insulation layer and the further insulation layer at different heights has the advantage that the first thickness and second thickness of the secondary component metallization and/or the further Secondary component metallization can be adapted to the respective needs and space requirements. For example, it is thereby possible to achieve larger first thicknesses of the secondary component metallization by means of a smaller first height, whereby the width of these lines, in particular of the secondary component metallization, can be kept smaller, i.e. narrower, along a direction running parallel to the main extension direction, with the same ability to carry current can be trained. This further optimizes flexibility with regard to the respective application and further increases the freedom of design when designing the circuit board.
Weiter ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Isolationsschicht eine erste Isolationsschichtdicke und die weitere Isolationsschicht eine zweite Isolationsschichtdicke aufweist, wobei die erste Isolationsschichtdicke und die zweite Isolationsschichtdicke unterschiedlich sind. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Isolationsfähigkeit der Isolationsschicht an den jeweiligen Bedarfsfall anzupassen und insbesondere bedarfsabhängig zu erhöhen oder zu reduzieren. Grundsätzlich ist es bevorzugt vorgesehen, dass die erste Isolationsschichtdicke und/oder die zweite Isolationsschichtdicke kleiner als die Isolationsschichtdicke des Keramikelements ist.Furthermore, it is preferably provided that the insulation layer has a first insulation layer thickness and the further insulation layer has a second insulation layer thickness, the first insulation layer thickness and the second insulation layer thickness being different. This makes it possible in an advantageous manner to adapt the insulation capacity of the insulation layer to the respective need and, in particular, to increase or reduce it depending on need. In principle, it is preferably provided that the first insulation layer thickness and/or the second insulation layer thickness is smaller than the insulation layer thickness of the ceramic element.
Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass die sekundäre Bauteilmetallisierung eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene bemessene erste Dicke aufweist, die größer als 150 µm ist. Durch eine entsprechend vergleichsweise große erste Dicke der sekundären Bauteilmetallisierung ist es mit Vorteil möglich, auch hohe Ströme über die sekundäre Bauteilmetallisierung zur Signalführung oder zur Führung eines Laststroms zu leiten. Dies ist in der Regel nicht möglich, wenn die erste Dicke kleiner ist als 150 µm.Furthermore, it is preferably provided that the secondary component metallization has a first thickness that is dimensioned perpendicular to the main extension plane and is greater than 150 μm. Due to a correspondingly comparatively large first thickness of the secondary component metallization, it is advantageously possible to conduct even high currents via the secondary component metallization for signal routing or for guiding a load current. This is usually not possible if the first thickness is less than 150 µm.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Isolationsschicht in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Ebene einen Querschnitt aufweist, der von einem Rechteck abweicht. Dabei kann die Isolationsschicht streifenförmig sein, oder einen elliptischen, kreisförmigen, rautenförmigen und/oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Insbesondere ist es möglich, durch eine entsprechende Gestaltungsfreiheit der Isolationsschicht das Isolationsverhalten und/oder auch Freibereiche der Isolationsschicht derart zu platzieren, dass sie beispielsweise an den vorhergesehenen Platz für das Leistungselektronikbauteil und/oder das Hochleistungselektronikbauteil angepasst sind.Preferably, it is provided that the insulation layer has a cross section that deviates from a rectangle in a plane running parallel to the main extension plane. The insulation layer can be strip-shaped or have an elliptical, circular, diamond-shaped and/or square cross-section. In particular, it is possible, through appropriate design freedom of the insulation layer, to place the insulation behavior and/or free areas of the insulation layer in such a way that they are adapted, for example, to the intended space for the power electronics component and/or the high-performance electronics component.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die sekundäre Bauteilmetallisierung strukturiert ist. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, wenn die sekundäre Bauteilmetallisierung zur Ausbildung von zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufenden Leiterbahnen strukturiert ist. Insbesondere ist es dadurch möglich, durch die entsprechend parallel zueinander verlaufenden Leiterbahnen in entgegengesetzte Richtung Ströme zu veranlassen, die dazu führen, dass induktive Effekte gegenseitig kompensiert werden. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, zumindest in Teilabschnitten parasitäre induktive Effekte zu reduzieren oder zu eliminieren.It is preferably provided that the secondary component metallization is structured. It is particularly preferred if the secondary component metallization is structured to form conductor tracks that run parallel to one another at least in sections. In particular, this makes it possible to cause currents in opposite directions through the conductor tracks that run parallel to one another, which result in inductive effects being mutually compensated for. This makes it advantageously possible to reduce or eliminate parasitic inductive effects, at least in some sections.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass sich primäre Bauteilmetallisierung, sekundäre Bauteilmetallisierung und das Isolationselement bzw. das Keramikelement entlang einer Haupterstreckungsebene erstrecken und entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Stapelrichtung übereinander angeordnet sind,wobei im gefertigten Trägersubstrat eine Bindungsschicht zwischen der primären Bauteilmetallisierung oder der sekundären und dem Isolationselement bzw. de Keramikelement ausgebildet ist, wobei eine Haftvermittlerschicht der Bindungsschicht einen Flächenwiderstand aufweist, der größer als 5 Ohm/sq, bevorzugt größer als 10 Ohm/sq und besonders bevorzugt größer als 20 Ohm/sq ist.It is preferably provided that the primary component metallization, secondary component metallization and the insulation element or the ceramic element extend along a main extension plane and are arranged one above the other along a stacking direction running perpendicular to the main extension plane, with a bonding layer in the manufactured carrier substrate between the primary component metallization or the secondary and the Insulating element or ceramic element is formed, wherein an adhesion promoter layer of the bonding layer has a surface resistance that is greater than 5 ohms/sq, preferably greater than 10 ohms/sq and particularly preferably greater than 20 ohms/sq.
Es hat sich dabei herausgestellt, dass mit zunehmenden Anteil an Aktivmetall die Bildung von spröden, intermetallischen Phasen begünstigt wird, was wiederum nachteilig ist für eine Abzugsfestigkeit der Metallschicht an der Isolationsschicht. Mit anderen Worten: Mit den anspruchsgemäßen Flächenwiderständen werden solche Bindungsschichten beschrieben, deren Abzugsfestigkeit aufgrund der reduzierten Bildung von spröden intermetallischen Phasen, verbessert, d. h. vergrößert wird. Durch das gezielte Einstellen der anspruchsgemäßen Flächenwiderstände lassen sich somit besonders starke Anbindungen der mindestens einen Metallschicht an das Keramikelement realisieren. Eine solche erhöhte Anbindungsstärke wirkt sich in vorteilhafter Weise auf die Lebensdauer des Trägersubstrats aus.It has been found that as the proportion of active metal increases, the formation of brittle, intermetallic phases is promoted, which in turn is disadvantageous for the peel strength of the metal layer on the insulation layer. In other words: The surface resistances according to the claims describe those bonding layers whose peel strength is improved, ie increased, due to the reduced formation of brittle intermetallic phases. By specifically adjusting the surface resistances as claimed, particularly strong connections between the at least one metal layer and the ceramic element can be achieved. Such an increased Bond strength has an advantageous effect on the service life of the carrier substrate.
Dabei ist es zur Bestimmung des Flächenwiderstands vorgesehen, dass am gefertigten Trägersubstrat zunächst die Metallschicht und ggf. eine Lotbasisschicht, beispielsweise durch Ätzen, wieder entfernt werden. Mittels einer Vier-Punkt Messung wird dann an der Oberseite bzw. Unterseite des von der mindestens einen Metallschicht und der Lotbasisschicht befreiten Trägersubstrats ein Flächenwiderstand gemessen. Insbesondere ist unter dem Flächenwiderstand einer Materialprobe als dessen Widerstand bezogen auf einen quadratischen Oberflächenbereich zu verstehen. Es ist hierbei üblich den Oberflächenwiderstand mit der Einheit Ohm/sq(square) zu kennzeichnen. Die Physikalische Einheit des Flächenwiderstandes ist Ohm.To determine the surface resistance, it is provided that the metal layer and, if necessary, a solder base layer are first removed from the manufactured carrier substrate, for example by etching. Using a four-point measurement, a surface resistance is then measured on the top or bottom of the carrier substrate freed from the at least one metal layer and the solder base layer. In particular, the surface resistance of a material sample is to be understood as its resistance based on a square surface area. It is common practice to mark the surface resistance with the unit Ohm/sq(square). The physical unit of surface resistance is ohm.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls, wobei zur Bildung der primären Bauteilmetallisierung eine Metallschicht bzw. Metalllage an das Keramikelement und zur Bildung der sekundären Bauteilmetallisierung eine weitere Metallschicht bzw. weitere Metalllage an die Isolationsschicht, bevorzugt in einem gemeinsamen Verfahrensschritt, insbesondere durch heißisostatisches Pressen, angebunden wird. Hierzu ist es bevorzugt vorgesehen, dass zunächst die einzelnen Bausteine gestapelt werden und anschließend in einem gemeinsamen Bondschritt gefügt werden. Anschließend wird das gefertigte Metall-Keramik-Substrat weiterverarbeitet, beispielweise vereinzelt, strukturiert und/oder oberflächenveredelt. Alternativ ist es auch vorstellbar, dass das Metall-Keramik-Substrat sukzessiv zusammengefügt wird. Alle Eigenschaften und Vorteile, die im Zusammenhang mit dem Elektronikmodul beschrieben worden sind, gelten analog für das Verfahren und andersrum.A further aspect of the present invention is a method for producing the electronic module according to the invention, wherein to form the primary component metallization a metal layer or metal layer is attached to the ceramic element and to form the secondary component metallization a further metal layer or further metal layer is attached to the insulating layer, preferably in a common manner Process step, in particular by hot isostatic pressing, is connected. For this purpose, it is preferably provided that the individual components are first stacked and then joined in a common bonding step. The manufactured metal-ceramic substrate is then further processed, for example separated, structured and/or surface refined. Alternatively, it is also conceivable that the metal-ceramic substrate is successively assembled. All properties and advantages that have been described in connection with the electronic module apply analogously to the process and vice versa.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Metalllage/Metallschicht bzw. die weitere Metalllage/Metallschicht mittels eines Aktivlotverfahrens und/oder eines hei-ßisostatischen Pressens und/oder eines DCB-Verfahrens an das Isolationselement/die Isolationsschicht bzw. Keramikelement angebunden wird.In particular, it is provided that the metal layer/metal layer or the further metal layer/metal layer is connected to the insulation element/the insulation layer or ceramic element by means of an active soldering process and/or a hot isostatic pressing and/or a DCB process.
Beispielsweise ist es vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Keramik-Substrats vorgesehen ist, umfassend:
- - Bereitstellen einer Lötschicht, insbesondere in Form mindestens einer Lötfolie bzw. Hartlotfolie,
- - Beschichten des Isolationselements, das im gefertigten Elektronikmodul das Keramikelement bildet, und/oder der mindestens einen Metallschicht und/oder der mindestens einen Lötschicht mit mindestens einer Aktivmetallschicht, vorzugsweise einer separaten Aktivmetallschicht, beispielsweise in Form einer Folie,
- - Anordnen der mindestens einen Lötschicht zwischen dem Isolationselement und der mindestens einen Metallschicht entlang einer Stapelrichtung unter Ausbildung eines Lötsystems, das die mindestens eine Lötschicht und die mindestens eine Aktivmetallschicht umfasst, wobei ein Lotmaterial der mindestens einen Lötschicht vorzugsweise frei von einem schmelzpunkterniedrigenden Material bzw. von einem phosphorfreien Material ist, und
- - Anbinden der mindestens einen Metallschicht an die mindestens eine Keramikschicht über das Lötsystem mittels eines Aktivlotverfahrens. Die mindestens eine Metallschicht bildet dann die primäre Bauteilmetallisierung. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass eine weitere Metallschicht auf einer Isolationsschicht angeordnet ist und mittels des beschriebenen Lötverfahrens angebunden wird. Die weitere Metallschicht bildet dann die sekundäre Bauteilmetallisierung. Vorzugsweise erfolgt ein Stapeln des Keramikelements, der Metallschicht, der Isolationsschicht und der weiteren Metallschicht, wobei nach dem Stapeln in einem gemeinsamen Bondverfahren die gewünschten Bindung zwischen den Lagen zur Bildung des Elektronikmoduls realisiert werden. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass als Aktivmetall Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Chrom (Cr), Niob (Nb), Cer (Ce), Tantal (Ta), Magnesium (Mg), Lanthan (La) und Vanadium (V), Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) genutzt wird, und bevorzugt das Lotmaterial ein Lotbasismaterial ist, wobei das Lotbasismaterial einen Anteil an Aktivmetall von weniger
als 1,5 Gew. %, bevorzugt weniger als 1,0 Gew. % und besonders bevorzugt wenigerals 0,5 Gew. - % aufweist.
- - Providing a soldering layer, in particular in the form of at least one soldering foil or brazing foil,
- - Coating the insulation element, which forms the ceramic element in the manufactured electronic module, and/or the at least one metal layer and/or the at least one soldering layer with at least one active metal layer, preferably a separate active metal layer, for example in the form of a film,
- - Arranging the at least one soldering layer between the insulation element and the at least one metal layer along a stacking direction to form a soldering system which comprises the at least one soldering layer and the at least one active metal layer, wherein a soldering material of the at least one soldering layer is preferably free of a melting point-lowering material or of a phosphorus-free material, and
- - Connecting the at least one metal layer to the at least one ceramic layer via the soldering system using an active soldering process. The at least one metal layer then forms the primary component metallization. It is preferably provided that a further metal layer is arranged on an insulation layer and is connected using the soldering method described. The further metal layer then forms the secondary component metallization. Preferably, the ceramic element, the metal layer, the insulation layer and the further metal layer are stacked, with the desired bonding between the layers to form the electronic module being realized after stacking in a common bonding process. It is preferably provided that the active metal is titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), chromium (Cr), niobium (Nb), cerium (Ce), tantalum (Ta), magnesium (Mg), lanthanum (La) and vanadium (V), molybdenum (Mo) or tungsten (W) is used, and preferably the solder material is a solder base material, the solder base material having an active metal content of less than 1.5% by weight, preferably less than 1 .0% by weight and particularly preferably less than 0.5% by weight.
Insbesondere ist dabei ein mehrschichtiges Lötsystem aus mindestens einer Lötschicht, vorzugsweise frei von schmelzpunkterniedrigenden Elementen, besonders bevorzugt aus einer phosphorfreien Lötschicht, und mindestens einer Aktivmetallschicht, vorgesehen. Die Separation der mindestens einen Aktivmetallschicht und der mindestens einen Lötschicht erweist sich insbesondere deswegen als vorteilhaft, weil dadurch vergleichsweise dünne Lötschichten realisierbar sind, insbesondere wenn es sich bei der Lötschicht um eine Folie handelt. Für aktivmetallhaltige Lötmaterialien müssen andernfalls vergleichsweise große Lötschichtdicken wegen der spröden intermetallischen Phasen bzw. des hohen E-Moduls und hoher Streckgrenze der gängigen Aktivmetalle und deren intermetallischen Phasen, die die Umformung der Lötpaste bzw. Lötschicht behindern, realisiert werden, wodurch die minimale Schichtdicke durch die Fertigungseigenschaften des aktivmetallhaltigen Lötmaterials begrenzt wird. Entsprechend bestimmt für aktivmetallhaltige Lötschichten nicht die für das Fügeverfahren erforderliche Mindestdicke die minimale Lötschichtdicke der Lötschicht, sondern die für die technisch realisierbare minimale Schichtdicke der Lötschicht bestimmt die minimale Lötschichtdicke der Lötschicht. Dadurch ist diese dickere, aktivmetallhaltige Lötschicht teurer als dünne Schichten. Unter phosphorfrei versteht der Fachmann insbesondere, dass der Anteil an Phosphor in der Lötschicht kleiner ist als 150 ppm, kleiner als 100 ppm und besonders bevorzugt kleiner als 50 ppm.In particular, a multilayer soldering system made of at least one solder layer, preferably free of elements that lower the melting point, particularly preferably made of a phosphorus-free solder layer, and at least one active metal layer is provided. The separation of the at least one active metal layer and the at least one solder layer proves to be particularly advantageous because comparatively thin solder layers can be achieved, especially if the solder layer is a foil. Otherwise, comparatively large solder layer thicknesses must be realized for soldering materials containing active metals because of the brittle intermetallic phases or the high modulus of elasticity and high yield strength of the common active metals and their intermetallic phases, which hinder the forming of the solder paste or solder layer. whereby the minimum layer thickness is limited by the manufacturing properties of the active metal-containing soldering material. Accordingly, for solder layers containing active metal, it is not the minimum thickness required for the joining process that determines the minimum solder layer thickness of the solder layer, but rather the minimum layer thickness of the solder layer that is technically feasible determines the minimum solder layer thickness of the solder layer. This means that this thicker, active metal-containing solder layer is more expensive than thin layers. By phosphorus-free, the person skilled in the art means in particular that the proportion of phosphorus in the solder layer is less than 150 ppm, less than 100 ppm and particularly preferably less than 50 ppm.
Vorzugsweise umfasst die Lötschicht, insbesondere die phosphorfreie Lotschicht, mehrere Materialien zusätzlich zu dem reinen Metall. Beispielsweise ist Indium ein Bestandteil des verwendeten Lotmaterials in der Lötschicht.Preferably, the solder layer, in particular the phosphorus-free solder layer, comprises several materials in addition to the pure metal. For example, indium is a component of the solder material used in the solder layer.
Weiterhin ist es vorstellbar, dass das Lotmaterial zur Ausbildung der Lötschicht durch ein physikalisches und/oder chemisches Gasphasenabscheiden und/oder galvanisch auf die Aktivmetallschicht und/oder die mindestens eine Metallschicht aufgetragen wird. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, vergleichsweise dünne Lotschichten im Lötsystem, insbesondere in einer homogenen Verteilung, zu realisieren.Furthermore, it is conceivable that the solder material to form the solder layer is applied to the active metal layer and/or the at least one metal layer by physical and/or chemical vapor deposition and/or galvanically. This makes it possible in an advantageous manner to realize comparatively thin solder layers in the soldering system, in particular in a homogeneous distribution.
Besonders bevorzugt sind bei der Herstellung des Elektronikmoduls, insbesondere des Metall-Keramik-Substrats, folgenden Schritte für das Bondverfahren vorgesehen, umfassend:
- - Bereitstellen des Keramikelements und einer Metalllage, die im späteren Elektronikmodul als primäre Bauteilmetallisierung dient,
- - Bereitstellen eines gasdichten Behälters, der das Keramikelement umschließt, wobei der Behälter vorzugsweise aus der Metalllage geformt ist oder die Metalllage umfasst,
- - Ausbilden des Metall-Keramik-Substrats durch ein Anbinden der Metalllage an das Keramikelement mittels heißisostatischen Pressen,
- - Providing the ceramic element and a metal layer, which serves as the primary component metallization in the later electronic module,
- - Providing a gas-tight container which encloses the ceramic element, the container preferably being formed from the metal layer or comprising the metal layer,
- - Forming the metal-ceramic substrate by bonding the metal layer to the ceramic element using hot isostatic presses,
Der Nutzung des heißisostatischen Pressens ist von Vorteil, weil mehrere Metalllagen, insbesondere mit unterschiedlichen Dicken, zu einem Elektronikmodul zusammengefügt werden. Vorzugsweise werden Lagen, wie die Metalllage bzw. Metallschicht, als Formätzteil oder Stanzteil bereitgestellt. So ist es beispielsweise möglich, eine Metalllage mit einem Rücksprung zu realisieren, indem dann die Isolationsschicht für die Anbindung der weiteren Metalllage bzw. Metallschicht eingebracht werden kann. Anschließend erfolgt die Anordnung der Einzellagen, insbesondere der weiteren Metallage bzw. Metallschicht, sowie deren Positionierung. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, dass die Außenseiten auf einer gemeinsamen Höhe abschließen. Dies bietet sich für die Anwendung des heißisostaischen Pressens besonders an, da dann eine gleichmäßige Druckeinwirkung während der Fertigung sichergestellt werden kann.The use of hot isostatic pressing is advantageous because several metal layers, especially with different thicknesses, are joined together to form an electronic module. Layers, such as the metal layer or metal layer, are preferably provided as a mold-etched part or stamped part. For example, it is possible to create a metal layer with a recess by then introducing the insulation layer for connecting the further metal layer or metal layer. The individual layers, in particular the further metal layer or metal layer, are then arranged and positioned. It is particularly advantageous that the outer sides end at a common height. This is particularly suitable for the use of hot isostatic pressing, as a uniform pressure effect can then be ensured during production.
Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Lot- oder Fügematerialien zwischen den einzelnen Metallschichten/Metalllagen auftreten. Dadurch wird mit Vorteil der Ätzprozess zur Layoutherstellung vereinfacht. Außerdem können die fehlenden Lot- oder Fügematerialien nicht als thermische Barrieren wirken, die thermischen Eigenschaften des Elektronikmoduls andernfalls nachteilhaft beeinträchtigen.Another advantage is that no solder or joining materials occur between the individual metal layers/layers. This advantageously simplifies the etching process for producing the layout. In addition, the missing solder or joining materials cannot act as thermal barriers, which would otherwise adversely affect the thermal properties of the electronic module.
Vorzugsweise ist ein Anteil an Aktivmetall in der ein Aktivmetall umfassenden Haftvermittlerschicht bzw. der Aktivmetallschicht größer als 15 Gew.- %, bevorzugt größer als 20 Gew.- %.Preferably, a proportion of active metal in the adhesion promoter layer comprising an active metal or the active metal layer is greater than 15% by weight, preferably greater than 20% by weight.
Beim heißisostatischen Pressen ist es insbesondere vorgesehen, dass das Bonden durch Erhitzen unter Druck erfolgt, bei dem die erste und/oder zweite Metalllage des Metallbehälters, insbesondere die spätere Metallschicht des Metall-Keramik-Substrats und eine etwaige dort auftretende eutektische Schicht nicht in die Schmelzphase übertritt. In entsprechender Weise sind beim heißisostatischem Pressen geringere Temperaturen als bei einem Direktmetallanbindungsverfahren, insbesondere einem DCB-Verfahren, erforderlich.In hot isostatic pressing, it is in particular provided that the bonding is carried out by heating under pressure, in which the first and/or second metal layer of the metal container, in particular the later metal layer of the metal-ceramic substrate and any eutectic layer occurring there, do not enter the melting phase transgresses. Correspondingly, lower temperatures are required for hot isostatic pressing than for a direct metal bonding process, in particular a DCB process.
Im Vergleich zu der Anbindung einer Metallschicht an eine Keramikschicht mittels eines Lotmaterials, bei dem üblicherweise Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht verwendet werden, kann bei der vorliegenden Vorgehensweise in vorteilhafter Weise auf ein Lotbasismaterial verzichtet werden und es wird lediglich ein Aktivmetall benötigt. Die Verwendung bzw. die Nutzung des Drucks beim heißisostatischen Pressen erweist sich dabei zudem als vorteilhaft, weil dadurch Lufteinschlüsse bzw. Hohlräume zwischen der ersten Metalllage und/oder der zweiten Metalllage einerseits und dem Keramikelement andererseits reduziert werden können, wodurch die Ausbildung von Lunkern in ihrer Häufigkeit im gebildeten bzw. gefertigten Metall-Keramik-Substrat reduziert oder gar vermieden werden kann. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Qualität der Bindung zwischen der Metallschicht bzw. der ersten und/oder zweiten Metalllage des Metallbehälters und dem Keramikelement aus. Darüber hinaus ist es in vorteilhafter Weise möglich, das „second etching“ zu vereinfachen und Lotreste sowie eine Silbermigration zu vermeiden.In comparison to the connection of a metal layer to a ceramic layer using a solder material, in which temperatures below the melting temperature of the at least one metal layer are usually used, in the present procedure a solder base material can advantageously be dispensed with and only an active metal is required. The use or use of pressure in hot isostatic Pressing also proves to be advantageous because it allows air pockets or cavities between the first metal layer and/or the second metal layer on the one hand and the ceramic element on the other hand to be reduced, thereby reducing the frequency of the formation of voids in the formed or manufactured metal-ceramic element. Substrate can be reduced or even avoided. This has an advantageous effect on the quality of the bond between the metal layer or the first and/or second metal layer of the metal container and the ceramic element. In addition, it is advantageously possible to simplify the “second etching” and to avoid solder residue and silver migration.
Vorstellbar ist es auch, dass beim heißisostatischen Pressen ein zusätzliches Lotmaterial zwischen das Keramikelement und die mindestens eine Metallschicht eingebracht wird, wobei eine Schmelztemperatur des zusätzlichen Lotmaterials kleiner sein kann als die Temperatur, bei der das heißisostatische Pressen durchgeführt wird, d. h. kleiner als die Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht.It is also conceivable that during hot isostatic pressing an additional solder material is introduced between the ceramic element and the at least one metal layer, whereby a melting temperature of the additional solder material can be smaller than the temperature at which the hot isostatic pressing is carried out, i.e. H. smaller than the melting temperature of the at least one metal layer.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass bei einem heißisostatischen Pressen der Metallbehälter in einer Heiz- und Druckvorrichtung einem Gasdruck zwischen 100 und 2000 bar, bevorzugt zwischen 150 und 1200 bar und besonders bevorzugt zwischen 300 und 1000 bar und einer Prozesstemperatur von 300 °C bis zu einer Schmelztemperatur der mindestens einen Metallschicht, insbesondere bis zu einer Temperatur unterhalt der Schmelztemperatur, ausgesetzt wird. Es hat sich in vorteilhafter Weise herausgestellt, dass es so möglich ist, eine Metallschicht, d.h. ein erste und/oder zweite Metalllage des Metallbehälters, an das Keramikelement anzubinden, ohne die erforderlichen Temperaturen eines Direktmetallanbindungsverfahrens, beispielsweise eines DCB- oder einem DAB-Verfahrens, und/oder ohne ein Lotbasismaterial, das beim Aktivlöten verwendet wird. Darüber hinaus gestattet das Nutzen bzw. die Verwendung eines entsprechenden Gasdrucks die Möglichkeit, möglichst lunkerfrei, d. h. ohne Gaseinschlüsse zwischen Metallschicht und Keramikelement ein Metall-Keramik-Substrat zu fertigen. Insbesondere finden Prozessparameter Verwendung, die in der
Im Anschluss an die Anbindung erfolgt vorzugsweise ein Strukturieren, beispielsweise mittels Ätzen und/oder Laserlicht, und/oder ein Vereinzeln, beispielsweise durch Auftrennen und/oder über eine Sollbruchline.Following the connection, structuring is preferably carried out, for example by means of etching and/or laser light, and/or separation, for example by separation and/or via a predetermined breaking line.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.Further advantages and features result from the following description of preferred embodiments of the object according to the invention with reference to the attached figures. Individual features of the individual embodiments can be combined with one another within the scope of the invention.
Es zeigt:
-
1 : schematisch ein Elektronikmodul gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -
2 : schematisch ein Elektronikmodul gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -
3 : schematisch ein Elektronikmodul gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -
4 : schematisch ein Elektronikmodul gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung -
5 : schematisch ein Elektronikmodul gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und -
6 : schematisch ein Elektronikmodul gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
-
1 : schematically an electronic module according to a first exemplary embodiment of the present invention -
2 : schematically an electronic module according to a second exemplary embodiment of the present invention -
3 : schematically an electronic module according to a third exemplary embodiment of the present invention -
4 : schematically an electronic module according to a fourth exemplary embodiment of the present invention -
5 : schematically an electronic module according to a fifth exemplary embodiment of the present invention and -
6 : schematically an electronic module according to a sixth exemplary embodiment of the present invention
In
Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die primäre Bauteilmetallisierung 21 und die Kühlseitenmetallisierung 20 während des Anbindungsvorgangs gleich dick gewählt sind, insbesondere um andernfalls auftretende Durchbiegungseffekte zu vermeiden. Hierbei macht man sich zunutze, dass durch die symmetrische Anordnung der primären Bauteilmetallisierung 21 und der Kühlseitenmetallisierung 20 auftretende Kräfte einander kompensieren und so einem Durchbiegen entgegenwirken.It is preferably provided that the
In dem in
Zur Erhöhung der Kompaktheit des Elektronikmoduls 100 ist es vorgesehen, dass neben der primären Bauteilmetallisierung 21 eine sekundäre Bauteilmetallisierung 22 ausgebildet ist. Dabei ist die sekundäre Bauteilmetallisierung 22 von der primären Bauteilmetallisierung 22 durch eine Isolationsschicht 40 getrennt, insbesondere elektronisch isoliert. Durch die Nutzung der sekundären Bauteilmetallisierung 22 ist es mit Vorteil möglich, beispielsweise im ersten Metallabschnitt 31 oder im zweiten Metallabschnitt 32 eine weitere Verdrahtungsebene bzw. Leitungsebene einzuführen, wodurch mit Vorteil die Funktionalität pro Flächeneinheit des Elektronikmoduls 100 erhöht werden kann, da in diesem Bereich sowohl die primäre Bauteilmetallisierung 21 als auch die sekundäre Bauteilmetallisierung 22 genutzt werden kann. Andernfalls wäre es erforderlich, die sekundäre Bauteilmetallisierung 22 in einer parallel zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Ebene seitlich versetzt gegenüber der primären Bauteilmetallisierung 21 anzuordnen bzw. hierfür einen weiteren Metallabschnitt einzuführen.In order to increase the compactness of the
Um die Kompaktheit weiter zu erhöhen, ist es weiterhin vorgesehen, dass eine Außenseite A der primären Bauteilmetallisierung 21 auf einer bzw. mit einer gemeinsamen Höhe H mit einer Außenseite A der sekundären Bauteilmetallisierung 22 abschließt. Als Außenseite A wird insbesondere die Außenfläche der Metallisierungen 21, 22 bzw. Metallabschnitte 31, 32 verstanden, die dem Keramikelement 10 abgewandt ist und sich im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene HSE erstreckt. Die gemeinsame Höhe H bemisst sich dabei insbesondere entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Stapelrichtung S. Um zu gewährleisten, dass die Außenseite A auf der gemeinsamen Höhe H abschließen, sieht es das Ausführungsbeispiel der
Die sekundäre Bauteilmetallisierung 22 ist von der primären Bauteilmetallisierung 21 durch die Isolationsschicht 40 elektrisch isoliert. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Isolationsschicht 40 inselartig ausgebildet ist. Zur Ausbildung einer entsprechend inselartigen Isolationsschicht 40 ist es vorgesehen, dass eine erste Größe (L, D), die dem Keramikelement 10 zugeordnet ist, um ein Vielfaches größer ist als eine zweite Größe (D1, L1), die der inselartigen Isolationsschicht 40 zugeordnet ist. Dabei wird die erste Größe (D, L) durch das Volumen des Keramikelements 10 und die zweite Größe (D1, L1) durch das Volumen der inselartigen Isolationsschicht 40 bestimmt. In der in
Der Vorteil, der sich durch entsprechende inselartige Isolationsschichten 40 ergibt, ist insbesondere derjenige, dass vollflächige Isolationsschichten 40 vermieden werden. Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil, weil Wärme, die von elektrischen Bauteilen ausgeht, andernfalls sowohl die Isolationsschicht 40 als auch das Keramikelement 10 passieren müssten. Dies ist insbesondere deswegen nachteilhaft, weil sich durch das entsprechende Passieren von Isolationsschicht 40 und Keramikelement 10 der thermische Widerstand erhöht, wodurch nicht die maximale Ausgangsleistung des Elektronikmoduls 100 mit seinen elektrischen Bauteilen genutzt werden kann. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die sekundäre Bauteilmetallisierung 22 im Wesentlichen als Leiterbahn zur Signalführung oder zur Führung eines Laststroms und die primäre Bauteilmetallisierung 21 im Wesentlichen der Anbindung von Elektronikbauteilen, insbesondere von Leistungselektronikbauteilen bzw. Hochleistungselektronikbauteilen, dient. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass die sekundären Bauteilmetallisierungen 22 bevorzugt frei sind von Hochleistungselektronikbauteilen oder Leistungsbauteilen oder aktive elektrische bzw. elektronische Bauteile, insbesondere mit erhöhter Verlustleistung. Damit sind die Anforderungen für das Abführen von thermischer Energie bzw. Wärme im Bereich der sekundären Bauteilmetallisierung 22 geringer und der thermische Widerstand, der aufgrund der zu passierenden Isolationsschicht 40 und des Keramikelements 10 erhöht ist, spielt eine untergeordnete Rolle. Im Gegensatz dazu werden Elektronikbauteile bzw. insbesondere Hochleistungselektronikbauteile an die Außenseite A der primären Bauteilmetallisierung 21 angeordnet. In diesem Bereich ist es von Vorteil, dass unterhalb der Bauteile im Wesentlichen nur Metall und nicht die Isolationsschicht 40 angeordnet ist. Hier ist somit der thermische Widerstand nicht erhöht gegenüber den Bereichen, in denen die Isolationsschicht 40 angeordnet ist. Außerdem kann der Teil der primären Bauteilmetallisierung 21, der unterhalb der Isolationsschicht 40 angeordnet ist, zusätzlich zum Abführen der thermischen Energie genutzt werden, insbesondere unter Berücksichtigung einer Wärmespreizung unterhalb des Bauteils, das an die Außenseite A der primären Bauteilmetallisierung 21 angebunden ist uns sich auch in den Beriech unterhalb der Isolationsschicht 40 erstrecken kann. Dadurch wird im gesamten Elektronikmodul 100 der thermische Widerstand als Ganzes optimiert.The advantage that results from corresponding island-like insulation layers 40 is, in particular, that full-surface insulation layers 40 are avoided. This is particularly advantageous because heat emanating from electrical components would otherwise have to pass through both the
Vorzugsweise ist es dabei vorgesehen, dass die Isolationsschicht 40 eine erste Isolationsschichtdicke ID1 aufweist und insbesondere gegenüber dem Keramikelement 10 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung auf einer ersten Höhe H1 angeordnet ist. Dabei werden insbesondere die erste Isolationsschichtdicke ID1 und/oder die erste Höhe H1 derart angepasst, dass eine optimale Stromführung bzw. Signalführung und/oder zur Führung eines Laststroms in der sekundären Bauteilmetallisierung 22 ermöglicht wird.Preferably, it is provided that the
Neben der Isolationsschicht 10 und der sekundären Bauteilmetallisierung 22 umfasst das Elektronikmodul 100 des ersten Ausführungsbeispiels auch eine weitere Isolationsschicht 41 und eine weitere sekundäre Bauteilmetallisierung 23. Die weitere Isolationsschicht 41 und die weitere sekundäre Bauteilmetallisierung 22 sind im zweiten Metallabschnitt 32 angeordnet. Dabei unterscheiden sich die Isolationsschicht 40 und die sekundäre Bauteilmetallisierung 22 des ersten Abschnitts von der weiteren Isolationsschicht 41 und der weiteren sekundären Bauteilmetallisierung 23 des zweiten Metallabschnitts 32 dahingehend, dass die weitere sekundäre Bauteilmetallisierung 23 strukturiert ist, das heißt, vorzugsweise zwei Leiterbahnen aufweist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die hier dargestellten Leiterbahnen der weiteren sekundären Bauteilmetallisierung 22, die elektrisch voneinander isoliert sind, zur Führung von antiparallel verlaufenden elektrischen Strömen vorgesehen bzw. ausgelegt sind. Dadurch wird mit Vorteil ein induktiver Effekt reduziert, da dieser durch die entgegengesetzt laufenden Ströme jeweils kompensierende Wirkung hat.In addition to the
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die weitere Isolationsschicht 41 gegenüber dem Keramikelement 10 in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene HSE verlaufenden Richtung auf einer zweiten Höhe H2 angeordnet ist, wobei sich die erste Höhe H1 von der zweiten Höhe H2 unterscheidet. Infolgedessen ist es vorgesehen, dass eine zweite Dicke D2 der weiteren sekundären Bauteilmetallisierung 23 geringer ist als eine erste Dicke D1 der sekundären Bauteilmetallisierung 22. Insbesondere ist es nämlich vorgesehen, dass auch die Außenseite A der weiteren sekundären Bauteilmetallisierung 22 auf der gemeinsamen Höhe H abschließt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass alle Außenseiten A auf einer gemeinsamen Höhe H gegenüber dem Keramikelement 10 abschließen, um einen gemeinsamen bündigen Abschluss zur Bauteilseite hin zu gewährleisten. Dies gilt für die primäre Bauteilmetallisierung 21, die sekundäre Bauteilmetallisierung 22 sowie die weitere sekundäre Bauteilmetallisierung 23.Furthermore, it is provided that the
Weiterhin ist es mit Vorteil vorgesehen, dass die weitere Isolationsschicht 41 eine zweite Isolationsschichtdicke ID2 aufweist, die größer ist als die Isolationsschichtdicke ID1. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die erste Isolationsschichtdicke ID1 und/oder zweite Isolationsschichtdicke ID2 derart ausgewählt sind, dass sie den elektrischen Isolationsanforderungen der Leiterbahnen der sekundären Bauteilmetallisierung 22 bzw. der weiteren sekundären Bauteilmetallisierung 23 genügen. Dies kann jeweils an den entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden. Insbesondere ist es auch vorstellbar, dass durch die höhenversetzte Anordnung bzw. die unterschiedlichen ersten Höhen H1 und zweiten Höhen H2 die Dimensionierung der ersten Dicken D1 und zweiten Dicke D2 erfolgen kann, wodurch mit Vorteil kontrolliert werden kann, wie groß die Ströme sein können, die durch die sekundäre Bauteilmetallisierung 22 bzw. die weitere sekundäre Bauteilmetallisierung 23 fließen können. Daher ermöglicht es die Gestaltungsfreiheit, bezüglich der ersten Höhe H1 und zweiten Höhe H2 eine Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall vorzunehmen.Furthermore, it is advantageously provided that the
Neben der Isolationsschicht 10 und der weiteren Isolationsschicht 41 umfasst der erste Metallabschnitt 31 ebenfalls eine zweite weitere Isolationsschicht 42 mit einer zweiten weiteren sekundären Bauteilmetallisierung 24. In Analogie zu der sekundären Bauteilmetallisierung 22 bzw. Isolationsschicht 40 und der weiteren sekundären Bauteilmetallisierung 23 und der weiteren Isolationsschicht 41 gilt hier das Gleiche analog für die dritte Dicke D3 der zweiten weiteren sekundären Bauteilmetallisierung, die dritte Isolationsschichtdicke ID3 und die dritten Höhe H3.In addition to the
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Isolationsschicht 10, die weitere Isolationsschicht 40 und/oder die zweite weitere Isolationsschicht 41 zumindest an einer ersten Seite S1 und an einer zweiten Seite S2 die primäre Bauteilmetallisierung 21 kontaktiert. Im Fall der Isolationsschicht der
In
In
In der in
In der
In
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 11
- Metall-Keramik-ElementMetal-ceramic element
- 55
- IsolationsgrabenIsolation trench
- 1010
- KeramikelementCeramic element
- 2020
- KühlseitenmetallisierungCooling side metallization
- 2121
- primäre Bauteilmetallisierungprimary component metallization
- 2222
- sekundäre Bauteilmetallisierungsecondary component metallization
- 2323
- weitere sekundäre Bauteilmetallisierungfurther secondary component metallization
- 2424
- zweite weitere sekundäre Bauteilmetallisierungsecond further secondary component metallization
- 3131
- erster Metallabschnittfirst metal section
- 3232
- zweiter Metallabschnittsecond metal section
- 4040
- Isolationsschichtinsulation layer
- 4141
- weitere Isolationsschichtanother layer of insulation
- 4242
- zweite weitere Isolationsschichtsecond further insulation layer
- 100100
- ElektronikmodulElectronic module
- DD
- Dickethickness
- D1D1
- erste Dickefirst thickness
- D2D2
- zweite Dickesecond thickness
- D3D3
- dritte Dickethird thickness
- H1H1
- erste Höhefirst height
- H2H2
- zweite Höhesecond height
- HH
- HöheHeight
- IS1IS1
- erste Isolationsschichtdickefirst insulation layer thickness
- IS2IS2
- zweite Isolationsschichtdickesecond insulation layer thickness
- IS3IS3
- dritte Isolationsschichtdickethird insulation layer thickness
- AA
- AußenseiteOutside
- HSEHSE
- HaupterstreckungsebeneMain extension plane
- S1S1
- erste Seitefirst page
- S2S2
- zweite Seitesecond page
- S3S3
- dritte Seitethird party
- S4S4
- vierte Seitefourth page
- LL
- Längelength
- L1L1
- erste Längefirst length
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 19927046 B4 [0002]DE 19927046 B4 [0002]
- DE 102009033029 A1 [0002]DE 102009033029 A1 [0002]
- DE 10227658 A1 [0003]DE 10227658 A1 [0003]
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- EP 3252810 A1 [0004]EP 3252810 A1 [0004]
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