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Die Erfindung betrifft eine Elektronikbaugruppe und ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe.
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Leistungshalbleiterelemente wie beispielsweise IGBT oder MOSFET werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Z.B. werden solche Leistungshalbleiterelemente zur Wechselrichtung einer Gleichspannung eingesetzt, beispielsweise um eine elektrische Antriebsmaschine eines Fahrzeugs zu betreiben.
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Leistungshalbleiterelemente sind auf einen vorbestimmten Betriebstemperaturbereich ausgelegt. So darf beispielsweise eine maximal zulässige Betriebstemperatur des Leistungshalbleiterelements nicht überschritten werden, da dann eine Funktionalität des Leistungshalbleiterelements beeinträchtigt werden kann. Um eine Temperaturüberwachung insbesondere während des Betriebs eines Leistungshalbleiterelements durchzuführen, werden in bekannter Weise Temperatursensoren eingesetzt.
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Aus dem Stand der Technik bekannt ist die
DE 10 2013 213 448 A1 , die eine Elektronikbaugruppe, aufweisend ein Substrat, mindestens einen an dem Substrat angebrachten Leistungshalbleiter, mindestens einen mit dem Substrat thermisch verbundenen Kühlkörper und mindestens einen Temperatursensor offenbart. Die Druckschrift offenbart insbesondere eine erste Ausführungsform, indem der mindestens eine Temperatursensor durch eine flexible Platine getrennt oberhalb und zumindest teilweise neben einem abzufühlenden Leistungshalbleiter angeordnet ist. Weiter offenbart ist eine Ausführungsform, wobei der mindestens eine Temperatursensor neben einem davon abzufühlenden Leistungshalbleiter auf der Vorderseite des Substrats wärmeisoliert angeordnet ist und der Temperatursensor mit diesem Leistungshalbleiter über ein erstes Kontaktelement gut wärmeleitend verbunden ist.
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Weiter aus dem Stand der Technik bekannt ist die
DE 10 2015 111 360 A1 , die eine Schaltung umfassend ein elektronisches Schaltelement, einen integrierten Sensor und einen niederohmigen Pfad von einem der Anschlüsse des Sensors zu einem der Anschlüsse des elektronischen Schaltelements offenbart.
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Ebenfalls bekannt ist die
DE 10 2019 108 988 B3 , die sich auf ein Leistungshalbleitermodul und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Leistungshalbleitermoduls bezieht.
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Weiter bekannt ist die
US 2009/140369 A1 , die ein Leistungshalbleitermodulpaket mit einem Temperatursensor offenbart.
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Weiter bekannt sind Baugruppen, bei denen der Temperatursensor auf demselben Schaltungsträger wie das Leistungshalbleiterelement montiert ist und modellbasiert aus durch den Temperatursensor erfassten Ausgangssignalen auf die Temperatur des Leistungshalbleiterelements geschlossen wird. Eine derartige Temperaturbestimmung wird jedoch durch eine Vielzahl von Störgrößen beeinflusst, die eine Genauigkeit der Temperaturbestimmung reduzieren können. Solche Störgrößen können beispielsweise die Abwärme von Kupferbahnen auf dem Schaltungsträger sein, die durch Stromwärmeverluste bedingt ist. Ebenfalls kann ein Temperatureintrag durch die Umgebung, beispielsweise einen Zwischenkreiskondensator oder Motoranschlüsse, erfolgen. Auch die Kühlertemperatur eines gegebenenfalls vorhandenen Kühlers kann die vom Temperatursensor erfasste Temperatur beeinflussen und die Genauigkeit der modellbasierten Temperatur des Leistungshalbleiterelements beeinflussen. Gleiches gilt für die Umgebungstemperatur.
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Insgesamt nachteilig ist, dass eine Ungenauigkeit in der Temperaturmessung oder -bestimmung höhere Kosten und auch erhöhten Bauraumbedarf verursacht, da Toleranzen bei der Temperaturbestimmung sich auf den Bauraumbedarf des Leistungshalbleiters auswirken. Hierbei gilt, dass je höher die Ungenauigkeit bei der Temperaturerfassung/-bestimmung ist, desto höher der Bauraumbedarf und insbesondere der Chipflächenbedarf des Leistungshalbleiterelements auf einem entsprechenden Substrat. Dies ist unerwünscht, da insbesondere ein hoher Chipflächenbedarf , z.B. auf einem SiC-Substrat, zu hohen Herstellungskosten führt.
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Es stellt sich daher das technische Problem, eine Elektronikbaugruppe sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe zu schaffen, die eine genaue Erfassung der Temperatur eines Leistungshalbleiterelements ermöglichen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Vorgeschlagen wird eine Elektronikbaugruppe, umfassend mindestens ein Leistungshalbleiterelement, mindestens einen Temperatursensor und mindestens ein Substrat. Das Leistungshalbleiterelement kann Teil eines Wechselrichters, insbesondere eines Pulswechselrichters, sein. Der Pulswechselrichter wiederum kann zur Bereitstellung einer Betriebs(wechsel)spannung einer elektrischen Maschine dienen, die insbesondere eine Antriebsmaschine eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs sein kann. Somit wird auch ein Wechselrichter mit einer solchen Elektronikbaugruppe sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Wechselrichter bzw. einer solchen Elektronikbaugruppe beschrieben.
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Der mindestens eine Temperatursensor dient zur Erfassung einer Temperatur des Leistungshalbleiterelements, insbesondere während eines Betriebs.
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Erfindungsgemäß sind das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und der mindestens eine Temperatursensor an oder in voneinander verschiedenen Trägern angeordnet. Wie nachfolgend noch näher erläutert ist es beispielsweise möglich, dass das Leistungshalbleiterelement an dem Substrat und der Temperatursensor an einem von dem Substrat verschiedenen Trägerelement, beispielsweise einer Leiterplatte, angeordnet und insbesondere befestigt ist. So kann das Leistungshalbleiterelement an/auf einer Substratoberseite angeordnet sein, wobei die Substratoberseite eine dem Leistungshalbleiterelement zugewandte Seite des Substrats bezeichnet. Das Leistungshalbleiterelement kann dann an einer Oberseite des Trägerelements angeordnet sein, wobei diese Oberseite eine dem Leistungshalbleiterelement abgewandte Seite des Trägerelements bezeichnet. Auch ist es denkbar, dass das Leistungshalbleiterelement und der Temperatursensor in ein gemeinsames Substrat eingebettet sind und hierbei in/an verschiedenen Trägerschichten dieses Substrats angeordnet sind. Insbesondere ist also das Leistungshalbleiterelement in/an mindestens einem Träger angeordnet, in/an dem der Temperatursensor nicht angeordnet ist. Alternativ oder kumulativ ist der Temperatursensor in/an mindestens einem Träger angeordnet, in/an dem das Leistungshalbleiterelement nicht angeordnet ist. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass das Leitungshalbleiterelement und der Temperatursensor an einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, wobei jedoch dann eines der beiden Elemente noch an einem weiteren Träger angeordnet ist. Weiter insbesondere sind das Leistungshalbleiterelement und der Temperatursensor nicht gleichzeitig an einem Trägeroberfläche angeordnet, auf der Leiterbahnen zur Leitung von Leistungsströmen über das Leistungshalbleiterelement angeordnet sind.
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Ein Temperatursensor kann als Kontakt-Temperatursensor ausgebildet sein. Allerdings ist die Art des Temperatursensors grundsätzlich nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. So kann der Temperatursensor auch als Kaltleiter, Widerstandsthermometer oder Thermoelement ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Temperatursensor als Heißleiter oder so genanntes NTC-Element ausgebildet.
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Weiter erfindungsgemäß ist das mindestens eine Leistungshalbleiterelement über mindestens ein thermisches Via mit dem Temperatursensor verbunden. Insbesondere kann eine thermische Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterelement und dem Temperatursensor ausschließlich aus dem thermischen Via bestehen. Es ist jedoch auch möglich, dass die thermische Verbindung zusätzlich zum dem mindestens einen thermischen Via weitere thermisch leitfähige Bauteile oder Strukturen umfasst. In diesem Fall besteht die thermische Verbindung also zum Teil aus dem mindestens einen thermischen Via. Das thermische Via kann sich insbesondere durch mindestens einen vorhergehend erläuterten Träger erstrecken. Auch ist es möglich, dass sich das thermische Via durch eine zwischen den Trägern angeordnete (Zwischen-)Schicht erstreckt. Mit anderen Worten kann das mindestens eine thermische Via eine Verbindung zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten eines Trägers oder einer Zwischenschicht zwischen zwei Trägern bereitstellen. Ein thermisches Via kann aus einem thermisch leitfähigen Material, beispielsweise Kupfer, ausgebildet sein. Ein thermisches Via kann beispielsweise hülsen- oder zylinderförmig ausgebildet sein.
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Durch die Anordnung des Leistungshalbleiterelements und des Temperatursensors an verschiedenen Trägern ergibt sich in vorteilhafter Weise eine Reduktion der vorhergehend erläuterten Störgrößen auf die vom Temperatursensor erfasste Temperatur. So ist es beispielsweise möglich, dass das Leistungshalbleiterelement an einer Oberfläche eines Substrats mit Kupferbahnen zur Leitung von Leistungsströmen angeordnet ist, die wie vorhergehend erläutert die Temperaturerfassung eines ebenfalls an diesem Substrat angeordneten Temperatursensors nachteilig beeinflussen würden. Durch die Anordnung des Temperatursensors an einem von einem solchen Substrat verschiedenen Träger, insbesondere an einer Oberfläche dieses Trägers, auf der keine Leitungsbahnen zur Leitung von Leistungsströmen angeordnet sind, wird also der Einfluss dieser Störgrößen reduziert. Durch den Einsatz des thermischen Via wiederum wird in vorteilhafter Weise eine hohe thermische Leitfähigkeit der thermischen Verbindung zwischen Leistungshalbleiterelement und dem Temperatursensor bereitgestellt, die eine genaue, aber auch eine dynamische, Temperaturerfassung, also eine zeitlich schnelle Erfassung der aktuell vorliegenden Temperatur, insbesondere nach einer Temperaturänderung, ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Leistungshalbleiterelement zwischen dem Substrat und einem Trägerelement, das von dem Substrat verschieden ist, angeordnet und zumindest mit dem Substrat verbunden, insbesondere mechanisch und elektrisch. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass das Leistungshalbleiterelement sowohl mit dem Substrat und dem Trägerelement verbunden ist, insbesondere mechanisch, gegebenenfalls aber auch elektrisch. Beispielsweise kann eine erste Seite (Unterseite) des Leistungshalbleiterelements auf einer Oberseite des Substrats angeordnet sein. Hierbei können auf dieser Oberseite auch Stromleiter zur Leitung eines Leistungsstroms hin zum oder weg vom Leistungshalbleiterelement angeordnet sein. Es ist möglich, dass eine weitere Seite (Oberseite) des Leistungshalbleiterelements mit dem Trägerelement, insbesondere einer Unterseite des Trägerelements, verbunden ist. Dies ist jedoch nicht zwingend. So kann das Leistungshalbleiterelement auch nicht mechanisch und nicht elektrisch mit dem Trägerelement verbunden sein.
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Weiter ist der Temperatursensor an einer dem Leistungshalbleiterelement abgewandten Seite des Trägerelements, die auch als Oberseite des Trägerelements bezeichnet werden kann, angeordnet und mit diesem mechanisch und gegebenenfalls elektrisch verbunden, wobei sich das mindestens eine thermische Via durch das Trägerelement erstreckt. Das Trägerelement kann insbesondere plattenförmig ausgebildet sein. Es ist möglich, dass das Leistungshalbleiterelement auf das Substrat gelötet oder durch Sintern mit dem Substrat mechanisch verbunden ist. Der Temperatursensor kann auf das Trägerelement gelötet sein. Ist das weitere Trägerelement ebenfalls mit dem Leistungshalbleiterelement verbunden, so kann das Leistungshalbleiterelement mit dem Trägerelement verlötet oder durch Sintern mit diesem verbunden sein. Insbesondere ist es vorstellbar, dass das Leistungshalbleiterelement mit einer leitfähigen Schicht des Trägerelements verbunden ist, wobei diese leitfähige Schicht auf einer dem Leistungshalbleiterelement zugewandten Seite des Trägerelements, also der Unterseite, angeordnet ist. Auch ist es vorstellbar, dass der Temperatursensor mit einer weiteren leitfähigen Schicht des Trägerelements verbunden ist, die auf der dem Leistungshalbleiterelement abgewandten Seite des Trägerelements, also der Oberseite, angeordnet ist. Weiter kann das Trägerelement eine Trägerschicht umfassen, z.B. eine FR4-Schicht, die zwischen den leitfähigen Schichten angeordnet ist. Das thermische Via kann sich hierbei durch die Trägerschicht hindurch erstrecken, also von der weiteren leitfähigen Schicht zur ersten leitfähigen Schicht des Trägerelements. Das Trägerelement kann insbesondere als gedruckter Schaltungsträger ausgebildet sein.
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Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise die vorhergehend erläuterte distanzierte Anordnung des Temperatursensors von dem Träger des Leistungshalbleiterelements, wobei jedoch gleichzeitig eine gute thermische Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterelement und dem Temperatursensor hergestellt ist. Hieraus resultiert wiederum eine genaue und zeitlich schnelle Temperaturerfassung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist auf einer dem Leistungshalbleiterelement zugewandten Seite des Trägerelements, also der Unterseite, ein leitfähiger Bereich angeordnet oder ausgebildet, beispielsweise die vorhergehend erläuterte erste leitfähige Schicht. Dieser leitfähige Bereich ist elektrisch mit einem leitfähigen Bereich des Substrats, insbesondere einer dem Leistungshalbleiterelement zugewandten Seite des Substrats, verbunden. Die leitfähigen Bereich können beispielsweise zur Stromführung von Leistungsströmen und/oder Steuerströmen, dienen. Beispielsweise können elektrisch leitfähige Elemente oder Strukturen zwischen dem Substrat und dem Trägerelement angeordnet sein, die die erläuterte elektrische Verbindung bereitstellen. Hierdurch wird ermöglicht, dass eine Stromführung, insbesondere von Leistungsströmen und/oder Steuerströmen, die hin zum Leistungshalbleiterelement oder von dem Leistungshalbleiterelement wegfließen, zumindest teilweise auch über den leitfähigen Bereich des Trägerelements geführt werden könne. Somit kann der leitfähige Bereich des Trägerelements eine weitere stromführende Lage des Substrats bereitstellen, wodurch eine Stromverteilung ermöglicht wird, die wiederum Herstellungskosten und Bauraumbedarf der vorgeschlagenen Elektronikbaugruppe reduziert, da bei einer solchen Ausführungsform die im Substrat angeordnete Leiterbahnen mit geringeren Dimensionen ausgelegt werden können. Auch kann der leitfähige Bereich des Trägerelements zur elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleiterelements dienen, insbesondere zur Herstellung einer elektrischen Verbindung von Stromleiterbahnen auf dem Substrat mit Anschlüssen des Leistungshalbleiterelements. Hierdurch können in vorteilhafter Weise existierende Kontaktelemente, wie z.B. Bonding-Drähte, ersetzt werden, wodurch wiederum eine Herstellung, insbesondere ein Fertigungsaufwand, der Elektronikbaugruppe vereinfacht werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine dem Leistungshalbleiterelement zugewandte Seite des Trägerelements, also die Unterseite, nicht oder zumindest nicht elektrisch mit einem leitfähigen Bereich des Substrats verbunden. Insbesondere können also das Trägerelement und der leitfähige Bereich des Substrats bis auf eine gegebenenfalls durch das Leistungshalbleiterelement hergestellte oder herstellbare elektrische Verbindung, elektrisch isoliert voneinander angeordnet sein. Auch in diesem Fall ist es jedoch möglich, dass zwischen dem Trägerelement und dem Substrat mindestens ein Strukturelement, insbesondere mindestens ein Verbindungselement, angeordnet ist, über das das Trägerelement mechanisch mit dem Substrat verbunden ist. Dieses Strukturelement ist jedoch vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet und/oder in einem elektrisch isolierten Bereich des Substrats und/oder des Trägerelements angeordnet. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass eine alternative oder zu einer bereits vorhandenen Befestigung kumulative Befestigung des Leistungshalbleiterelements an dem Substrat bereitgestellt werden kann. Insbesondere ist es möglich, dass das Leistungshalbleiterelement über das Trägerelement an dem Substrat befestigt wird, insbesondere zwischen dem Trägerelement und dem Substrat eingespannt oder eingepresst wird. Durch die vorgeschlagene fehlende elektrische Verbindung des Substrats mit dem Trägerelement wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass kein vom Substrat geführter Strom die Temperaturmessung durch Erzeugung von Widerstandsverlusten in elektrisch leitfähigen Bereichen des Trägerelements beeinflussen kann. Hieraus resultiert wiederum eine genaue Temperaturerfassung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist in einem Zwischenraum zwischen einer dem Leistungshalbleiterelement zugewandten Seite des Substrats, also der Oberseite des Substrats, und einer dem Leistungshalbleiterelement zugewandten Seite des Trägerelements, also der Unterseite des Trägerelements, ein Zwischenraum ausgebildet, in dem Kontaktelemente des Leistungshalbleiterelements angeordnet sind. Solche Kontaktelemente können beispielsweise zur Herstellung einer elektrischen Verbindung von Anschlüssen des Leistungshalbleiterelements mit dem Substrat, insbesondere mit elektrisch leitfähigen Bereichen des Substrats wie Stromleiterbahnen, ausgebildet sein. Ein solches Kontaktelement kann beispielsweise als sogenannter Bonding-Draht ausgebildet sein. Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass das Leistungshalbleiterelement mechanisch zuverlässig zwischen dem Trägerelement und dem Substrat angeordnet, insbesondere eingepresst, werden kann, wobei jedoch eine zuverlässige und etablierte elektrische Kontaktierung des Leistungshalbleiterelements weiterhin möglich und in einfacher Weise herstellbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist in oder an dem Trägerelement mindestens ein weiteres elektrisches oder elektronisches Bauelement angeordnet. Ein elektrisches oder elektronisches Bauelement kann insbesondere ein Stromsensor, eine logische Schaltung, ein (weiterer) Schaltungsteil eines Wechselrichters oder eines Leistungshalbleiterelements wie beispielsweise ein Gate-Widerstand, oder eine Auswerteeinrichtung oder ein Teil davon sein. Eine elektrische Kontaktierung dieses mindestens einen weiteren elektrischen oder elektronischen Bauelements kann insbesondere durch elektrisch leitfähige Bereiche des Trägerelements erfolgen. Durch diese Anordnung ergibt sich in vorteilhafter Weise eine höhere Integration von Funktionalitäten in wenig Bauraum, wobei ebenfalls eine gewünschte thermische Isolierung von elektrischen oder elektronischen Bauelementen von dem Substrat bzw. dem leistungsstromführenden Abschnitt des Substrats erreicht wird, wodurch wiederum eine unerwünschte Auswirkung des Stromflusses auf diese Bauelemente reduziert wird. Letztendlich ergibt sich somit also eine verbesserte Zuverlässigkeit bei der Bereitstellung der Funktionalitäten der elektrischen oder elektronischen Bauelemente.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der mindestens eine Leistungshalbleiter in dem Substrat eingebettet. Durch ein Einbetten kann eine Integration des Leistungshalbleiterelements in ein Substrat erfolgen. Es ist vorstellbar, dass das eingebettete Leistungshalbleiterelement im Zustand für den bestimmungsgemäßen Gebrauch vollständig von Material des Substrats umgeben ist. Entsprechende Fertigungsverfahren, beispielsweise die sogenannte Face-down-Montage oder die Face-up-Montage, zur Herstellung solcher eingebetteten Leistungshalbleiterelemente sind dem Fachmann hierbei bekannt. Es ist vorstellbar, dass ein Substrat mindestens zwei verschiedene Trägerschichten aufweist, wobei das Leistungshalbleiterelement in oder an einer dieser mindestens zwei Trägerschichten, also einer ersten Trägerschicht oder Leistungshalbleiterelement-Trägerschicht, angeordnet ist. Weiter kann das Substrat mindestens eine Zwischenschicht, insbesondere aus einem leitfähigen Material wie z.B. Kupfer, aufweisen, wobei eine Zwischenschicht zwischen zwei Trägerschichten des Substrats angeordnet ist. Weitere Schichten können Außenschichten des Substrats bilden und beispielsweise ebenfalls aus elektrisch leitfähigem Material ausgebildet sein. Eine Trägerschicht kann aus FR4-Material bestehen.
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Alternativ oder kumulativ ist der mindestens eine Temperatursensor in dem Substrat eingebettet. Auch dies kann bedeuten, dass der Temperatursensor im Zustand für den bestimmungsgemäßen Gebrauch des Substrats vollständig von Substratmaterial umgeben ist. Umfasst das Substrat mindestens zwei Trägerschichten, so kann der Temperatursensor an oder in einer weiteren Trägerschicht des Substrats, die auch Temperatursensor-Trägerschicht bezeichne werden kann, angeordnet sein. Sind leistungsstromführende Bereiche des Substrats auf einer ersten Seite der Leistungshalbleiterelement-Trägerschicht angeordnet, so ist der Temperatursensor vorzugsweise in/an einer Trägerschicht angeordnet, die auf einer der ersten Seite der Leistungshalbleiterelement-Trägerschicht abgewandten Seite angeordnet ist.
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Weiter kann sich das mindestens eine thermische Via zur thermischen Verbindung des Temperatursensors und des Leistungshalbleiterelements durch einen Bereich des Substrats, insbesondere einen inneren Bereich des Substrats, weiter insbesondere durch mindestens eine Trägerschicht und/oder durch mindestens eine Zwischenschicht, erstrecken. Das thermische Via kann hierbei mittels Laserbohrung, Bohrlochreinigung, -aktivierung und/oder galvanischer Kupferabscheidung erzeugt werden.
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Auch hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise eine thermische Verbindung und somit eine genaue und schnelle Temperaturerfassung erreichen, wobei gleichzeitig ein Bauraumbedarf der vorgeschlagenen Elektronikbaugruppe reduziert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform weist das Substrat mindestens zwei Trägerschichten auf, wobei der Leistungshalbleiter und der Temperatursensor an oder in verschiedenen Trägerschichten angeordnet sind. Dies wurde vorhergehend bereits erläutert. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine räumliche Beabstandung des Temperatursensors von Bereichen, die einen Leistungsstromfluss zum oder weg vom Leistungshalbleiterelement führen, wodurch solche Stromflüsse die Temperaturerfassung nicht nachteilig beeinflussen bzw. weniger beeinflussen. In diesem Fall kann - wie vorhergehend erläutert - insbesondere eine Zwischenschicht zwischen den beiden Trägerschichten angeordnet sein. Es ist möglich, dass das mindestens eine thermische Via elektrisch isoliert durch diese Zwischenschicht verläuft. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Übertragung thermischer Energie von dem Leistungshalbleiterelement zum Temperatursensor nicht durch einen Stromfluss verfälscht wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Temperatursensor elektrisch mit einer Außenschicht, insbesondere einer leitfähigen Außenschicht, des Substrats verbunden. Auch diese elektrische Verbindung kann über ein elektrisches Via, insbesondere ein Micro-Via, hergestellt sein. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass vom Temperatursensor erzeugte Signale bzw. von dem Temperatursensor bereitgestellte Signale abgegriffen werden können, beispielsweise um diese an eine Auswerteeinrichtung zu übermitteln. Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfach realisierbare Temperaturerfassung.
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Es ist weiter möglich, dass ist in oder an dem Substrat mindestens ein weiteres elektrisches oder elektronisches Bauelement angeordnet ist, welches beispielsweise wie vorhergehend erläutert ausgebildet sein kann. Ein solches Bauelement kann insbesondere in/an der Trägerschicht angeordnet sein, in/an der auch der Temperatursensor angeordnet ist.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikbaugruppe, wobei mindestens ein Leistungshalbleiterelement, mindestens ein Temperatursensor und mindestens ein Substrat bereitgestellt werden, wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterelement und der mindestens eine Temperatursensor an oder in voneinander verschiedenen Trägern angeordnet werden, wobei das mindestens eine Leistungshalbleiterelement über mindestens ein thermisches Via mit dem Temperatursensor verbunden wird. Das Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise die Herstellung einer Elektronikbaugruppe gemäß einer der in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen mit den entsprechenden und ebenfalls erläuterten technischen Vorteilen.
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Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer ersten Ausführungsform,
- 2 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform,
- 3 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform und
- 4 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe in einer weiteren Ausführungsform.
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Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektronikbaugruppe 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Elektronikbaugruppe 1 umfasst ein Substrat 5 mit einer Trägerschicht 2, insbesondere einer Keramik-Trägerschicht, welche beispielsweise aus AI2O3 oder Si3N4 ausgebildet sein kann. Auf einer Oberseite der Trägerschicht 2 ist eine erste leitfähige Schicht 3, beispielsweise eine Kupferschicht, angeordnet, wobei an einer gegenüberliegenden Seite, also einer Unterseite, der Trägerschicht 2 eine weitere leitfähige Schicht 4, beispielsweise ebenfalls eine Kupferschicht, angeordnet ist. In ihrer Gesamtheit bilden die Trägerschicht 2 und die leitfähigen Schichten 3, 4 ein Substrat 5. An einer Oberseite des Substrats 5, insbesondere an der ersten leitfähigen Schicht 3, ist ein Leistungshalbleiterelement 6 angeordnet und befestigt, beispielsweise durch Löten oder Sintern.
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Weiter umfasst die Elektronikbaugruppe 1 ein Trägerelement 7 mit einer Trägerschicht 8, die beispielsweise aus FR4 ausgebildet sein kann, einer erste leitfähigen Schicht 9 auf einer Oberseite der Trägerschicht 8, die beispielsweise eine Kupferschicht sein und auch als top layer bezeichnet werden kann, und einer zweite leitfähigen Schicht 10 auf einer Unterseite der Trägerschicht 8, die ebenfalls eine Kupferschicht sein und als bottom layer bezeichnet werden kann. An der ersten leitfähigen Schicht 9 und somit auf einer Oberseite des Trägerelements 7 ist ein Temperatursensor 11, der beispielsweise ein NTC-Element sein kann, angeordnet, beispielsweise durch Löten befestigt. Die Oberseite des Trägerelements 7 ist eine dem Leistungshalbleiterelemente 6 abgewandte Seite des Trägerelements 7. Die Unterseite des Trägerelements 7 ist eine dem Leistungshalbleiterelement 6 zugewandte Seite des Trägerelements 7.
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Das Trägerelement 7 ist mit dem Leistungshalbleiterelement 6 verbunden. Hierzu kann die weitere leitfähige Schicht 10 mit dem Leistungshalbleiterelement 6 verlötet oder durch Sintern an diesem befestigt sein.
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Weiter dargestellt sind thermische Via 12, die sich durch die Trägerschicht 8 hindurcherstrecken und Teil einer thermischen Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterelement 6 und dem Temperatursensor 11 bilden, wobei die thermische Verbindung ebenfalls noch Abschnitte der ersten und der weiteren leitfähigen Schicht 10, 9 des Trägerelements 7 umfasst. In 1 ist dargestellt, dass zwischen dem Trägerelement 7 und dem Substrat 5 eine Luftschicht angeordnet ist, insbesondere dass neben dem Leistungshalbleiterelement 6 kein weiteres Element zwischen den Substrat 5 und dem Trägerelement 7 angeordnet ist.
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2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Elektronikbaugruppe 1. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform sind zwischen dem Trägerelement 7 und dem Substrat 5 neben dem Leistungshalbleiterelement 6 weitere Strukturelemente 12 angeordnet. Diese Strukturelemente 12 können elektrisch leitfähige Bereiche des Trägerelements 7, insbesondere Bereiche der elektrisch leitfähigen Schicht 10 des Trägerelements 7, und des Substrats 5, insbesondere Bereiche der ersten leitfähigen Schicht 3 des Substrats 5, verbinden, womit das Trägerelement 7 und das Substrat 5 über die Strukturelement zwar mechanisch und elektrisch verbunden sind. Diese leitfähigen Bereiche können insbesondere zur Leistungsstromführung dienen. Allerdings ist es auch möglich, dass diese Strukturelemente 12 in elektrisch isolierten Bereichen des Trägerelements 7 und/oder des Substrats 5 angeordnet sind, womit das Trägerelement 7 und das Substrat 5 über die Strukturelement zwar mechanisch, nicht aber elektrisch verbunden sind. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform kann das Leistungshalbleiterelement 6 über das Trägerelement 7 und die Strukturelemente 12 mit dem Substrat 5 verpresst werden, wodurch in vorteilhafter Weise keine weitere mechanische Befestigung des Leistungshalbleiterelements 6 an dem Substrat 5 benötigt wird. Stellen die Strukturelemente 12 eine elektrische Verbindung zwischen dem Trägerelement 7 und dem Substrat 5 her, kann hierdurch eine auch Kontaktierung von Anschlüssen des Leistungshalbleiterelements 6 bereitgestellt werden, womit z.B. bisher verwendete und nicht dargestellte Bondingdrähte ersetzt werden können.
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3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Elektronikbaugruppe 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Verbindung. Dargestellt ist ein Substrat 5, welches eine erste Trägerschicht 13 und eine weitere Trägerschicht 14 sowie eine erste Außenschicht 15, die beispielsweise eine elektrisch leitfähige Schicht, beispielsweise eine Kupferschicht, sein kann, aufweist. Diese erste Außenschicht 15, die eine Unterseite des Substrats 5 bildet, kann insbesondere Bereiche zur Leistungsstromführung aufweisen. Weiter dargestellt ist eine weitere Außenschicht 16, die ebenfalls eine elektrisch leitfähige Schicht, beispielsweise eine Kupferschicht, sein kann, sowie eine zwischen den Trägerschichten 13, 14 angeordnete Zwischenschicht 17, die ebenfalls aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise aus Kupfer, ausgebildet sein kann. Die weitere Außenschicht 16, die eine Oberseite des Substrats 5 bildet, und die Zwischenschicht 17 dienen vorzugsweise nicht zur Leistungsstromführung und somit nicht entsprechend angeordnet und/oder ausgebildet.
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Die Trägerschichten 13, 14 können hierbei z.B. aus FR4 und plattenförmig ausgebildet sein. Weiter dargestellt ist ein Leistungshalbleiterelement 6, welches in dem Substrat 5 eingebettet ist, insbesondere in der ersten Trägerschicht 14. Das Leistungshalbleiterelement 6 ist hierbei an einer Unterseite der weiteren Trägerschicht 14 angeordnet und elektrisch mit der ersten Außenschicht 15, nicht aber elektrisch mit der Zwischenschicht 17 und der weiteren Außenschicht 16 verbunden. Weiter dargestellt ist ein Temperatursensor 11, der ebenfalls in dem Substrat 5 eingebettet ist, allerdings in der ersten Trägerschicht 13, insbesondere an einer Unterseite dieser ersten Trägerschicht 13. Das Leistungshalbleiterelement 6 ist elektrisch von der Zwischenschicht 17, der ersten Außenschicht 15 und der weiteren Außenschicht 16 isoliert angeordnet. Weiter dargestellt sind thermische Via 12, die die thermische Verbindung zwischen dem Leistungshalbleiterelement 6 und dem Temperatursensor 11 bereitstellen. Diese sind von der Zwischenschicht 17 isoliert durch diese und einen Teil der weiteren Trägerschicht 14 hindurchgeführt. Die Isolierung kann hierbei durch Abschnitte der ersten und/oder der weiteren Trägerschicht 13, 14 gebildet werden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Elektronikbaugruppe 1 in einem schematischen Querschnitt. Im Unterschied zu der in 3 dargestellten Ausführungsform umfasst die Elektronikbaugruppe 1 elektrische Via 18, über die der Temperatursensor 11 mit der weiteren Außenschicht 16 verbunden ist, wodurch von dem Temperatursensor 11 bereitgestellte Signale über die weitere Außenschicht 16 abgegriffen werden können. Diese elektrischen Via 18 sind hierbei durch einen Teil der ersten Trägerschicht 13 hindurchgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektronikbaugruppe
- 2
- Substrat-Trägerschicht
- 3
- erste leitfähige Schicht des Substrats
- 4
- zweite leitfähige Schicht des Substrats
- 5
- Substrat
- 6
- Leistungshalbleiterelement
- 7
- Trägerelement
- 8
- Trägerschicht des Trägerelements
- 9
- erste leitfähige Schicht des Trägerelements
- 10
- zweite leitfähige Schicht des Trägerelements
- 11
- Temperatursensor
- 12
- thermisches Via
- 13
- erste Trägerschicht des Substrats
- 14
- zweite Trägerschicht des Substrats
- 15
- erste Außenschicht des Substrats
- 16
- zweite Außenschicht des Substrats
- 17
- Zwischenschicht des Substrats
- 18
- elektrisches Via
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013213448 A1 [0004]
- DE 102015111360 A1 [0005]
- DE 102019108988 B3 [0006]
- US 2009140369 A1 [0007]
