DE3930858A1 - Modulaufbau - Google Patents

Modulaufbau

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Modulaufbau gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.
Insbesondere in der Leistungselektronik sind Schaltkreise im Modulaufbau bekannt, bei denen die Leistungs-Halbleiterbau­ elemente (Leistungs-Transistoren oder -Chips) auf einem Substrat (als Leistungsmodul) und die die zugehörige Treiber- bzw. Ansteuerstufe bildenden Halbleiterbausteine auf einem gesonderten Substrat vorgesehen sind, wobei beide Substrate mechanisch, aber auch elektrisch zu einem Modul verbunden sind. Zur Abführung der Verlustleistung der Leistungshalb­ leiterbauelemente bestehen die für diese Bauelemente verwen­ deten Substrate zur besseren Wärmeableitung aus Keramikma­ terial, welches dann in der Regel doppelseitig mit Metall beschichtet bzw. mit einer Metallschicht versehen ist. Da die zur Ansteuerung der Leistungshalbleiterbauelemente notwendi­ gen Ansteuer- bzw. Treiberstufen dabei außerhalb des Lei­ stungsmoduls vorgesehen sind, bedingt diese bekannte Technik einen hohen Platzbedarf und eine aufwendige Montage.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Modulaufbau aufzuzeigen, der bei vereinfachter Montage eine wesentlich kleinere und kompaktere Ausbildung eines elektrischen Schaltkreises ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Modulaufbau entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgeführt.
Beim erfindungsgemäßen Modulaufbau wird derjenige Teil der Fläche der einen Metallschicht, der (Teil) nicht von dem wenigstens einen ersten Bauelement eingenommen ist, für weitere Funktionselemente genutzt, und zwar für wenigstens ein zweites Bauelement und/oder für weitere Leiterbahnen, wobei dieses zweite Bauelement und/oder diese weitere Leiterbahnen durch die weitere Schicht aus elektrisch isolierendem Material von der darunterliegenden, vorzugsweise in Form von Leiterbahnen ausgeführten Metallschicht elek­ trisch getrennt sind.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Modulaufbaus besteht zunächst einmal darin, daß sämtliche Bauelemente, d.h. beispielsweise bei einem elektronischen Leistungsmodul bzw. Leistungshybrid das wenigstens eine erste Leistungsbau­ element sowie das wenigstens eine zweite, die erforderliche Treiber- bzw. Ansteuerstufe bildende Bauelement auf einem gemeinsamen Träger bzw. Substrat, nämlich auf der ersten, beidseitig mit den Metallschichten versehenen Keramikschicht angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich nicht nur ein sehr kompakter Aufbau bei einer vorgegebenen Substratfläche, die für die Verteilung der abzuführenden Verlustwärme benötigt wird, sondern es ist hier auch möglich, in einem Arbeitsgang die Verbindungen zwischen dem wenigstens einen Leistungsbau­ element und dem wenigstens einen zweiten Bauelement mit den üblichen Techniken, z.B. in Form von Draht-Bonding-Verbindun­ gen unter Verwendung von Ultraschall usw. herzustellen. Ein ganz entscheidender Vorteil besteht auch darin, daß sehr kurze Verbindungen möglich sind, womit insbesondere durch Vermei­ dung von Kapazitäten und/oder Induktivitäten schnelle Schaltkreise bzw. Schaltkreise für hohe Frequenzen möglich sind.
Diejenige Metallschicht, auf der die wenigstens eine weitere Schicht aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht ist, bildet vorzugsweise in äußeren Anschlüssen endende oder als solche Anschlüsse ausgeführte Leiterbahnen nicht nur für das erste Bauelement, sondern auch für das wenigstens eine zweite Bauelement, so daß dann der in diesem Modulaufbau herge­ stellte Schaltkreis sämtliche Anschlüsse in einer gemeinsamen Ebene aufweist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die wenigstens eine weitere Schicht aus elektrisch isolierendem Material mit wenigstens einer fensterartigen Durchbrechung versehen, in der dann das wenigstens eine erste Bauelement angeordnet ist.
Sind mehrere erste Bauelemente vorgesehen, so weist die weitere Schicht bevorzugt mehrere fensterartige Durchbrechun­ gen auf, und zwar jeweils eine für ein erstes Bauelement. Diese Ausbildung, bei der die weitere Schicht aus elektrisch isolierendem Material wenigstens eine fensterartige Durch­ brechung besitzt, hat den Vorteil, daß das wenigstens eine erste elektronische Bauelement besonders dicht mit weiteren, auf der Schicht aus elektrisch isolierendem Material angeord­ neten Bauelementen umbaut werden kann. Weiterhin ist dieser Modulaufbau auch in bezug auf Wärmeeinwirkung besonders formstabil.
Die erste Keramikschicht ist von einem Keramikmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit, d.h. bevorzugt von einer Aluminium- Oxid-Keramik gebildet. Die wenigstens eine weitere Schicht aus elektrisch isolierendem Material ist dabei vorzugsweise ebenfalls eine Keramikschicht, und zwar bevorzugt eine Keramikschicht aus dem gleichen Material wie die erste Keramikschicht.
Insbesondere bei Hochleistungsanwendungen kann es zweckmäßig sein, die weitere Schicht aus isolierendem Material nur partiell an solchen Bereichen mit der darunterliegenden Metallschicht zu verbinden, an denen während des Betriebes keine allzu hohen Temperaturen auftreten, um so eine wärme­ technische Isolierung zwischen dem Leistungsbauelement und dem Ansteuerbauelement zu erreichen.
Die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten kann auf die unterschiedlichste Weise erfolgen, beispielsweise durch Kleben oder Verlöten unter Anwendung einer herkömmlichen Löttechnik. Sofern es um die Verbindung zwischen Kupfer und Keramik geht, erfolgt die Verbindung beispielsweise durch ein eutektisches Diffusionsverfahren, wie das sogenannte "DCB- Verfahren", bei dem eine Oberflächenoxidation des kupfer­ haltigen Materials und eine anschließende Erhitzung der zu verbindenden Materialien auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur zu einer festen Verbindung führt (DE-PS 23 19 854).
Bevorzugt wird allerdings ein Verbindungsverfahren verwendet, bei dem zwischen die zu verbindenden Schichten eine aus Kupfer oder Kupferlegierung bestehende und an ihren Oberflä­ chen zuvor oxidierte Folie eingebracht und die miteinander zu verbindenden Schichten sowie die Folie bis zu deren Auf­ schmelzen auf die eutektische Temperatur erhitzt werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Schnitt einen Modulaufbau gemäß der Erfindung;
Fig. 2 in perspektivischer Darstellung den Modulaufbau gemäß Fig. 1.
In den Figuren ist 1 die erste, als Träger ausgebildete Keramikschicht, auf deren Oberseite eine erste Metallschicht 2 aufgebracht ist, die Leiterbahnen 3 sowie nach außen führende, d.h. nach außen über eine Seite der Keramikschicht überstehende äußere Anschlüsse 4 bildet. Wie die Fig. 1 zeigt, steht die Keramikschicht 1 mit ihrem Randbereich über die Metallschicht 2 vor, und zwar am gesamten Umfang der Keramikschicht 1, selbstverständlich mit Ausnahme des den Anschlüssen 4 benachbarten Bereiches dieses Umfanges.
Auf der Metallschicht 2 ist eine weitere Keramikschicht 5 aufgebracht, die in ihrem mittleren Bereich eine Durchbre­ chung 6 derart aufweist, daß sich für die Keramikschicht 5 eine rahmenartige Struktur ergibt. Auf der Oberseite der Keramikschicht 5 sind Leiterbahnen 7 vorgesehen, die bei­ spielsweise in Dickschichttechnik, in Dünnfilmtechnik oder als dünne Cu-Leiterbahnen ausgeführt sind. Diese Leiterbahnen 7 können zumindest teilweise auch als Widerstandsbahnen z.B. durch Drucktechniken hergestellt sein.
Auf den Leiterbahnen 7 bzw. den von diesen gebildeten Schaltungen sind dann Bauelemente 8 vorgesehen, die vorzugs­ weise als oberflächenmontierte Bauelemente (SMDs) ausgebildet und mittels einer Lot- oder Kleberschicht 9 gehalten sind. In der Ausnehmung 6 ist ein Leistungs-Halbleiterbauelement 10, beispielsweise ein Leistungshalbleiter-Chip angeordnet. Dieses Bauelement 10 ist ebenfalls mittels einer Lot- oder Kleberschicht 11 mit der durch die Ausnehmung 6 freiliegenden Metallschicht 2, d.h. bei der für die Fig. 1 gewählten Darstellung mit der dortigen mittleren Leiterbahn 3 verbun­ den.
Draht-Bond-Verbindungen 12 verbinden das Bauelement 10 mit den übrigen Leiterbahnen 3 bzw. Anschlüssen 4. Weitere Draht-Bond-Verbindungen 13 und 14 stellen die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen dem als Ansteuerelement ausgebildeten Bauelement 8 und dem Bauelement 10 bzw. zwischen den Leiterbahnen 7 und den Leiterbahnen 3 her. Auch wenn die Fig. 2 insgesamt nur drei Anschlüsse 4 zeigt, ist die Anzahl der von der Metallschicht 2 gebildeten Anschlüsse bevorzugt so gewählt, daß nicht nur für den das Bauelement 10 einschließenden Leistungsstromkreis äußere Anschlüsse 4 vorgesehen sind, sondern entsprechende Anschlüsse auch zur Ansteuerung des von den Bauelementen 8 gebildeten Schaltkrei­ ses.
An der Unterseite der Keramikplatte 1 ist eine zweite Metallschicht 15 befestigt, die ebenso wie die Metallschicht 2 aus Kupfer oder aus einer Kupferlegierung besteht. Die Metallschicht 15 ist durchgehend wiederum derart ausgebildet, daß die Keramikschicht 1 an ihrem Umfangsbereich über die Metallschicht 15 vorsteht. Mit der Metallschicht 15 kann der dargestellte Multilayer-Leistungshybrid beispielsweise an einer Kühlfahne 16 aus einem dickeren Metallblech befestigt und kann mit dieser Kühlfahne 16 an einem Kühlkörper ange­ schraubt werden.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß Änderungen sowie Abwand­ lungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Claims (8)

1. Modulaufbau für elektrische Schaltkreise, bestehend aus wenigstens einer ersten Keramikschicht (1), die an ihren beiden Oberflächenseiten mit einer Metallschicht (2, 15) verbunden ist, sowie aus wenigstens einem, auf einer Metallschicht (2) vorgesehenen ersten elektrischen Bauelement, vorzugsweise Leistungsbauelement (10), dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Metallschicht (2) wenigstens eine weitere Schicht (5) aufgebracht ist, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und die eine Metallschicht (2) nur teilweise abdeckt, und daß in dem von der wenigstens einen weiteren Schicht (5) nicht abgedeckten Bereich der einen Metallschicht (2) das erste elektronische Bauelement (10) auf diese Metall­ schicht (2) aufgebracht ist.
2. Modulaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Metallschicht (2) zumindest teilweise als Leiterbahnen (3) und/oder als äußere Anschlüsse (4) ausgeführt ist.
3. Modulaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die wenigstens eine weitere Schicht (5) eine zweite Keramikschicht ist.
4. Modulaufbau nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine weitere Schicht (5) zumindest eine Durchbrechung (6) aufweist, und daß im Bereich dieser Durchbrechung (6) das wenigstens eine erste elektronische Bauelement (10) angeordnet ist.
5. Modulaufbau nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der ersten Keramikschicht (1) abgewendeten Oberflächenseite der wenigstens einen weiteren Schicht (5) Leiterbahnen (7) und/oder wenigstens ein zweites elektronisches Bauelement (8) vorgesehen sind.
6. Modulaufbau nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Keramikschicht (1) und die Metallschichten sowie die wenigstens eine weitere Schicht (5) durch Kleben, Löten oder durch ein eutektisches Diffusionsverfahren miteinander verbunden sind.
7. Modulaufbau nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der wenig­ stens einen weiteren Schicht (5) und der benachbarten Metallschicht (2) nicht vollflächig, sondern nur partiell ausgeführt ist.
8. Modulaufbau nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine zweite elek­ tronische Bauelement (8) ein Ansteuerschaltkreis für das erste elektronische Bauelement (10) ist.
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