EP4302328A1 - Elektronik-baugruppe mit schaltungsträger, halbleiterchip und kühlkörper - Google Patents

Elektronik-baugruppe mit schaltungsträger, halbleiterchip und kühlkörper

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Publication number
EP4302328A1
EP4302328A1 EP22723578.5A EP22723578A EP4302328A1 EP 4302328 A1 EP4302328 A1 EP 4302328A1 EP 22723578 A EP22723578 A EP 22723578A EP 4302328 A1 EP4302328 A1 EP 4302328A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit carrier
electronics assembly
heat sink
thick
semiconductor chip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22723578.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Feil
Stefan Kiefl
Karl-Heinz Schaller
Stefan Stegmeier
Heinz WÖLLMER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP4302328A1 publication Critical patent/EP4302328A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
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    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H01L25/071—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next and on each other, i.e. mixed assemblies
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    • H01L25/072—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00 the devices being arranged next to each other

Definitions

  • the present invention relates to an electronic assembly with at least one circuit carrier, at least one semiconductor chip and at least one heat sink, the electronic assembly being provided for installation in a superordinate designated device. Furthermore, the invention relates to a device with such an electronic construction group.
  • a heat sink is connected over a large area to a flat circuit carrier, and the circuit carrier is in turn connected flat on its opposite side to the semiconductor chips mounted on it.
  • the main surfaces of the heat sink, circuit carrier and semiconductor chip are parallel to one another, and there is a main heat dissipation path that is perpendicular to these main surfaces.
  • One advantage of this conventional horizontal structure is that the surface connection of the semiconductor chip to the circuit board and from the circuit board to the heat sink means that an effective Ver heat transfer can be realized, and with a correspondingly small thickness and large area of the circuit carrier and an effective heat conduction through this is gege ben. At the same time, a good breakdown strength can be achieved.
  • the total installation space available is limited. For example, only a limited number of slots, each with a limited size, are available in a control cabinet for the installation of such assemblies. Especially in the case of devices with electronic power assemblies, it is difficult to achieve reliable heat dissipation while still keeping the installation space small, since the performance of such assemblies and thus the heat released is increasing.
  • the object of the invention is therefore to specify an electronic assembly which overcomes the disadvantage mentioned.
  • an electronic module is to be made available which requires comparatively little space within the installation level of a higher-level device and which can nevertheless be effectively cooled.
  • a wide- re task is to specify a higher-level device with such an electronic assembly.
  • the electronic assembly according to the invention has a circuit carrier, at least one semiconductor chip and at least one heat sink. It has a flat basic shape with a main level and is intended in particular for installation in a superordinate device.
  • the at least one circuit carrier is essentially oriented parallel to the main plane and carries one or more semiconductor chips to which it is connected over a large area.
  • At least one heat sink is arranged in a first edge region of the planar electronics assembly.
  • the at least one circuit carrier has at least one thick-film conductor track between the region of the at least one semiconductor chip and the first edge region, which is part of a main cooling path that runs essentially parallel to the main plane of the electronic assembly.
  • the electronics assembly comprises a plurality of circuit carriers
  • all the circuit carriers present should in particular be oriented parallel to the main plane.
  • the semiconductor chips that are connected over an area to the respective circuit carrier are then also oriented parallel to this main plane.
  • the at least one heat sink is arranged in an edge area of this multi-layer structure. The mediated by the heat sink dissipation of heat to the external environment takes place predominantly in this first edge area and not on the entire surface of the building group. It should not be ruled out that parts of the heat sink could spread over a larger part of the surface. surface of the assembly.
  • the sub-elements relevant for the all-clear signal to the external environment e.g. cooling ribs, cooling webs, cooling fins, cooling needles or comparable structures
  • the main heat dissipation path mentioned is formed within the assembly group. It is essential in connection with the present invention that this main heat dissipation path lies essentially parallel to the main plane of the assembly and not, as in the prior art described, perpendicular to the layer structure. Said main heat dissipation path can also be made up of a number of sub-paths, in particular if the assembly has a number of semiconductor chips, from which the heat has to be passed on to a common heat sink in each case. However, the partial paths assigned to the respective semiconductor chips can then lead to a common heat dissipation path.
  • this common heat dissipation path mainly runs within the main level of the assembly. Furthermore, it should not be ruled out in this context that the individual partial paths (in the area next to the semiconductor chips) and also the common heat dissipation path formed from them have smaller local partial sections with a heat flow direction that is perpendicular to the main plane.
  • the primary direction of heat dissipation i.e. the net transport direction for the heat dissipated
  • the primary direction of heat dissipation is characterized by an overall predominant directional component within the main plane mentioned. A small angle in the net transport direction and the main plane of up to 10°, for example, should in principle not be ruled out.
  • a thick-film conductor track should generally be understood to mean a conductor track that has a layer thickness of at least 300 ⁇ m.
  • the layer thickness is the dimension of the conductor track perpendicular to the main plane.
  • such a layer thickness can be above 1 mm, for example in an advantageous range between 1 mm and 4 mm.
  • This thick-film conductor track can in particular be formed from a metallic material, for example copper, aluminum, molybdenum or an alloy of one or more of the metals mentioned. In general, a copper-based thick-film conductor track is particularly preferred.
  • each of the existing semiconductor chips is connected to an assigned heat sink via such a thick-film conductor track.
  • a thermal conduction path is provided by this associated thick-film conductor track, which thermally conductively connects the region of the respective semiconductor chip to the region of the associated heat sink and lies parallel to the main plane (namely in the plane of the respective circuit carrier). Due to the particularly high layer thickness of this conductor track, effective heat transport is achieved within the main plane, so that the heat generated in the area of the semiconductor chip can be effectively passed on to the first edge area and can be released from there by the heat sink to the outside environment.
  • thick-film conductor tracks there can be a total of several such thick-film conductor tracks in the assembly. In addition to their function as a heat path, these thick-film conductor tracks can also be used for an electrical connection of the respective semiconductor chip. However, this is not mandatory. This theoretically possible dual functionality can be used either for all or for just a part of the existing thick-film conductor tracks - depending on the requirements for the electrical connection. But at least it is advantageously fulfilled one of the existing circuit carriers has a dual function in that it provides both the electrical connection and the all-clear for the associated semiconductor chip.
  • An essential advantage of the configuration according to the invention is that due to the heat dissipation path lying within the main plane, installation in a higher-level device is made possible, in which case the electronic assembly protrudes from a base support of the device.
  • the main plane of the electronics assembly is then not oriented parallel to an installation plane of the device, as in the prior art, but extends away from the associated installation location, in particular at a vertical or oblique angle.
  • Due to the heat dissipation path lying within the plane of the assembly group effective heat dissipation is made possible in this arrangement, specifically by a heat sink which is located in particular in an edge region of the assembly remote from the installation location.
  • the device according to the invention has a base support and one or more electronic assemblies according to the invention.
  • An installation level is defined by the base support, a sub-area of which is designed as an installation space for the respective associated electronics assembly.
  • the respective electronics assembly stands out from the base support in such a way that the main plane of the electronics assembly forms an angle of at least 30° to the installation plane of the base support.
  • the respective electronic assembly is essentially chen vertically from the base support.
  • the heat sink can in particular form a heat dissipation surface which is oriented at an angle of at least 30° to the first main surface.
  • this heat dissipation surface is essentially perpendicular to the main plane of the assembly.
  • this heat dissipation surface is not to be understood as meaning a planar surface of the heat sink, but rather an envelope through which the heat flow dissipated to the environment passes perpendicularly.
  • the heat sink is not just designed, but has surface-enlarging structures, such as cooling ribs, cooling webs, cooling fins, cooling needles or the like, in order to improve heat dissipation to the environment.
  • the heat sink can have a plurality of cooling ribs, which in particular extend parallel to the main plane of the assembly and thus conduct the heat even further in the direction of the main heat dissipation path.
  • the cooling body can also be designed as a cooling star with oblique and in particular branched cooling structures.
  • the electronics assembly can be designed as a power electronics assembly.
  • at least one of the existing semiconductor chips is in the form of a high-performance electronic component.
  • a power diode and/or an IGBT a bipolar transistor with an insulated gate electrode
  • IGBT a bipolar transistor with an insulated gate electrode
  • the electronics module can have a plurality of semiconductor chips that are arranged on the same circuit carrier. These semiconductor chips can be arranged next to one another or one behind the other with respect to the main heat dissipation path, with combinations of these two variants of the arrangement also being possible.
  • a plurality of such semiconductor chips can optionally also be electrically connected to one another by the associated thick-film conductor track.
  • a common emitter circuit can be implemented between a power diode and an IGBT.
  • a number of components can also be electrically connected to one another in the manner of a half bridge or a full bridge by one or more thick-film conductor tracks, with a common heat dissipation path being formed at the same time.
  • the at least one thick-film conductor track is generally advantageously thermally coupled to the associated heat sink.
  • this thermal coupling is designed in such a way that between the respective semiconductor chip and the associated heat sink, the heat dissipation path that predominates overall runs via the associated thick-film conductor track.
  • the thermal connection of at least one of the existing thick-film conductor tracks to the heat sink is mediated by a large-area insulation layer.
  • “Large area” should be understood to mean an insulation layer that has an area that is at least as large as the area of the associated thick-film conductor track.
  • the area of a thick-film conductor track can generally be above 1 cm 2 , for example, in particular in the range of at least 5 cm 2 .
  • the width of a thick film conductive line can generally be 1 cm or more. With this dimensioning, a particularly effective heat transport to the heat sink is advantageously ensured.
  • the layer thickness can be less than 1 mm, in particular in a range between 25 ⁇ m and 500 ⁇ m. High dielectric strengths can be achieved with such layer thicknesses. Due to the comparatively large area, an effective thermal coupling can be achieved at the same time, despite the typically rather low thermal conductivity of electrically insulating materials. Suitable materials for such an electrically insulating coupling layer are generally organic polymers, in particular polyimides or epoxides, which can optionally also have fillers made from other materials, in particular ceramic fillers to set a desired thermal expansion coefficient.
  • such a large-area insulation layer can be arranged, for example, between a thick-film conductor track of a circuit carrier and a flat side element of a heat sink.
  • such a large-area insulation layer can also lie within a circuit carrier in order to achieve electrical decoupling between two thick-film conductor tracks lying one on top of the other. Then one of these thick film conductive lines can be connected to the semiconductor chip and the other can be connected to the heatsink, with the insula ons slaughter an electrical insulation between the heatsink and the semiconductor chip is achieved, with nevertheless comparatively good thermal coupling due to the large area and the small layer thickness of the insulating layer.
  • the at least one circuit carrier can thus comprise a plastic-based dielectric layer.
  • This can in particular be an internal layer of a multi-layer circuit carrier, which is sandwiched between electrically conductive layers and in particular thick-layer conductor tracks.
  • a circuit carrier with a polyimide-based dielectric layer is available, for example, from Dupont under the name ODBC (for "organic direct-bond copper" substrate).
  • Dielectric layers have the advantage that the organic layer can compensate for mechanical stresses much better than a ceramic layer due to the thick conductor tracks ruptures or cracks in the circuit carrier.
  • the dielectric layer does not have to consist exclusively of an organic plastic, but can advantageously be based on such a material. It can in particular consist of a composite material made of an organic polymer and one or more other components.
  • the at least one circuit carrier can also be formed by a metallic leadframe.
  • a metallic leadframe can again particularly preferably be a copper-based leadframe.
  • a leadframe is understood to mean what is known as a connecting frame, ie a solderable metallic conductor carrier in the form of a frame or comb.
  • the structure of such a leadframe can be produced in particular by stamping or laser processing.
  • the leadframe can re have a flat connection area for the respective semiconductor chip and a further flat connection area for the further thermal connection to the associated heat sink.
  • thick conductor tracks are also present here in the form of the individual webs, which, in addition to the electrical connection, also cause cooling of the associated semiconductor chip with a cooling path within the assembly level.
  • such a leadframe can also be provided with a corresponding electrically insulating layer, at least in the area of the connection point for the heat sink.
  • the at least one semiconductor chip can generally advantageously be connected flat on a first surface to a first circuit carrier and be connected flat on a second, opposite surface to a second circuit carrier or to a metal sheet.
  • the circuit carrier is then embedded in the manner of a sandwich between two thermally conductive structures, each of which brings about heat dissipation with a main heat dissipation direction within the assembly level.
  • This embodiment therefore achieves particularly effective cooling of the semiconductor chip on both sides, with the heat being transported on on both sides parallel to the chip plane.
  • several such semi-conductor chips can be sandwiched between two such heat-conducting elements in a corresponding manner.
  • the distance between the first circuit carrier and the second circuit carrier or the metal sheet is little least 5 gm.
  • This distance can particularly advantageously be in a range between 25 gm and 400 gm. This distance is high enough to ensure a sufficiently high dielectric strength between the opposing metallic elements and low enough to enable sufficiently good thermal coupling of the semiconductor chip on both sides.
  • the space between the first circuit carrier and the second circuit carrier or the metallic sheet metal is filled with an electrically insulating filler.
  • an electrically insulating filler is filled with an electrically insulating filler.
  • Materials that can be used advantageously here are silicone-based materials, typical underfill materials and molding compounds such as Globtop.
  • such a polymer material can in turn be filled with a filler in order to set a predetermined value for the thermal expansion coefficient and in this way to keep thermally induced stresses between the semiconductor chip and the circuit carriers or the metal sheet advantageously low.
  • At least one internal circuit carrier can be connected over a large area on each of its main surfaces to one or more associated semiconductor chips.
  • a sandwich-like structure also results with regard to the internal circuit carrier.
  • This embodiment can be combined particularly advantageously with the previous one, so that there are two levels of semiconductor chips, which are each cooled on both sides (by a common circuit carrier lying on the inside and a separate circuit carrier lying on the outside).
  • This Big Mac-like structure made up of a total of At least five layers can be constructed in particular essentially symmetrically with respect to the internal circuit carrier.
  • the internal circuit carrier thickens in its cross-section in the direction of the first edge region of the electronic assembly.
  • the thermal connection of the internal circuit carrier to the heat sink located there can be further improved.
  • the internal circuit carrier can have a T-shaped profile, with the thermal connection to the heat sink being realized in the area of the crossbar of the T-profile.
  • the heat sink can be divided into at least two mechanically separate partial elements.
  • the dividing line between these partial elements can in particular run centrally through the main plane of the assembly.
  • each half of the sandwich can then be assigned its own partial element of the cooling body. In this way, thermally induced mechanical stresses in the area of the heat sink (or between it and the adjacent elements) can be effectively reduced.
  • the heat sink can be divided into a head element and a further element with two side parts, the head element being arranged in the first edge region and the side parts extending parallel to the main plane and to a certain extent enveloping the other elements of the layered structure.
  • the term structure and thedekör pers can also be a gap between the heat sink and the at least one thick-film conductor track can be filled with a filling material.
  • a filling material for example using metal foams as a filler, using springs between the individual elements, as well as branches between the individual thick-film conductor tracks or the formation of a stack in which the total thickness of a thick-film conductor track is made up of several sub-layers.
  • the base support can run parallel to the rear wall of a switch cabinet or can also be provided by this rear wall itself.
  • the device can be a switching device and/or a control device, which can be designed in particular for controlling an electric drive.
  • it can be a control device for an industrial application, in particular for an industrial production plant, which has one or more electronic construction groups according to the invention.
  • the individual electronic assemblies can at least in part preferably be power modules which are provided for modular installation in the installation level of the device, for example converter modules.
  • the respective electronics module can have corresponding connecting elements, for example plug-in pins for plugging into a slot on the base support.
  • the superordinate device can optionally also have a cooling device, a housing and/or one or more busbars.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an electronics assembly according to the prior art
  • FIG. 2 shows an electronic assembly according to a first example of the invention in a schematic longitudinal section
  • Figure 3 shows a top view of an inner thick film conductor track of Figure 2;
  • FIGS 4 and 5 show schematic longitudinal sections of electronic assemblies according to further examples of the invention
  • Figure 6 shows a top view of the third circuit carrier of Figure 5 and
  • FIGS 7 to 9 show further variants for the structure of the heat sink pers in such electronic assemblies.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an electronic assembly according to the prior art, which is typical of the basic structure of common power electronic assemblies.
  • two semiconductor chips 20 are connected over the entire area to a circuit carrier 10 and cast on their outside with a casting compound 25 .
  • the circuit carrier 10 is connected on its opposite main surface to a heat sink 30, which has cooling fins for dissipating heat to the outside environment.
  • a flat electronic construction group 1 is given overall, the main level of which lies within the xy plane here.
  • the direction of the main heat dissipation path H is perpendicular to this plane, ie in the z-direction.
  • such a subassembly In order to ensure heat dissipation on a side that is exposed to the outside, such a subassembly according to the prior art is installed flat in a mounting location 110 of a superordinate device.
  • the installation plane is then also within the xy plane, and the main cooling path H is oriented essentially perpendicularly to the installation plane.
  • the size of the installation space required is typically even even larger than the lateral dimensions of the elements shown here, because additional space must usually be provided within the xy plane for the load connections and control lines, which are not shown here for the sake of clarity. Overall, such a hori zontal electronic module requires a lot of space within the installation level of a higher-level device.
  • FIG. 2 shows an electronic assembly 1 according to a first example of the invention.
  • a schematic longitudinal section is shown, which runs perpendicularly to a main plane P of the electronics assembly, which is designed to be flat.
  • the electronics assembly shown includes three circuit carriers 10a, 10b and 10c, which are each parallel to the main plane P with their main surfaces. They are sandwiched one on top of the other.
  • the two outer circuit carriers 10a and 10c are each fitted with two semiconductor chips, namely in this example each with a power diode 21 and an IGBT 22.
  • the two outer circuit carriers 10a and 10c are formed from multilayer thick copper substrates in this example. They therefore have thick-film conductor tracks 11 and 13 made of copper, although in principle other metallic materials can also be used for the thick-film conductor tracks.
  • each of the two circuit carriers 10a and 10c has an inner 11 and an outer thick-film layer 13 and an organic dielectric layer 12 in between.
  • the two semiconductor chips 21, 22 on each circuit carrier 10a and 10c are therefore arranged on an internal thick-film conductor track 11 and connected to it, for example, by soldering, sintering, diffusion soldering or gluing. As a result, an electrical contact is established on the one hand and a thermal connection is mediated on the other.
  • the power diode 21 and the associated IGBT 22 are connected by the respective inner thick-film conductor track 11 according to Art connected to a common emitter circuit.
  • the remaining contacts of the IGBT are connected to associated connection elements 22b, two of which are arranged one behind the other in the y-direction (not shown here) and which can be designed as pins for plugging into a higher-level device.
  • the second contact of the respective power diode 21 is connected via a connecting element 21a to a central thick-film conductor track 16 of the internal second circuit carrier 10b.
  • the IGBTs 22 are also coupled to the central thick-film conductor track 16 via associated connecting elements 22a.
  • all four semiconductor chips 20, 21 are thermally coupled to the parallel to the main plane P running thick film interconnects 11 and 16 mixed.
  • the inner thick-film conductor tracks 11 are in turn thermally coupled to the respective outer thick-film conductor track 13 via the thin dielek tric layer of the respective circuit carrier.
  • a heat sink 30 is arranged in this first edge region RI.
  • This heat sink has, for example, a plurality of cooling fins that also run parallel to the main plane.
  • the (enveloping) outer surface of the heat sink represents a heat dissipation surface E, through which a main heat dissipation path H passes for the dissipation of heat to the external environment. Overall, this main heat dissipation path is essentially parallel to the main plane P of the assembly.
  • the electronics assembly can be installed upright, ie with a connection in its narrow second edge region R2, in a superordinate device.
  • a part of a base support 100 is shown only extremely schematically in FIG.
  • the described upright arrangement means that the mounting space 110 within the mounting plane G running in the xy plane requires only a relatively small lateral area.
  • the connection to the base support 100 can be achieved, for example, by plugging in the pins 22b.
  • a plurality of semiconductor chips 21, 22 are embedded between a total of three circuit carriers 10a, 10b, 10c in the manner of a multilayer sandwich.
  • this is not absolutely necessary in order to realize the advantages of the invention.
  • the only important thing is that, at least for a semiconductor chip with at least one thick-film conductor track of an associated circuit carrier, heat is transported parallel to the assembly level and thus away from the mounting location 110 in the higher-level device.
  • the sandwich-like structure in the example of Figure 2 has the advantage that the individual semiconductor chips due to their double-sided coupling to the adjacent thick-film conductor tracks 11, 16 can be given the warning even more effectively.
  • the distance d between these opposing thick-film conductor tracks 11 and 16 is advantageously at least 10 mpi, so that voltage flashovers are avoided.
  • the intermediate space formed can optionally be filled with an electrically insulating filler, which is not shown here.
  • FIG. 3 shows a schematic top view of one of the inner thick-film conductor tracks 11 from the example in FIG. 2 with the power diode 21 arranged thereon and the IGBT 22 .
  • the position of the associated connection elements 21a, 22a for connection to the central thick-film conductor track and the additional connection elements 22b of the IGBT are indicated.
  • the section line II-II corresponds to the position of the cross section in FIG. 2.
  • the two semiconductor chips 21, 22 are arranged next to one another in the z-direction, so that they lie one behind the other with respect to the main heat dissipation path.
  • FIG. 4 shows an electronic assembly 1 according to a further example of the invention in a schematic longitudinal section.
  • the basic arrangement of the semiconductor chips 21, 22 and their embedding between a total of three circuit carriers 10a, 10b, 10c is similar to the example in FIG
  • the two circuit carriers 10a and 10c on the outside are essentially formed here by the material of the thick-film conductor tracks 11 . They can therefore be configured as copper leadframes, for example.
  • the heat sink has two flat side parts 30b, which extend parallel to the thick-film conductor tracks 11, in addition to the head part 30a largely adopted from FIG.
  • the heat transport between the thick-film conductor tracks 11 and the side parts 30b of the heat sink is mediated here by an insulating layer 40, so that the heat sink is electrically insulated from the conductor tracks. Due to the large area and the low layer thickness of the insulating layer 40 is still a good thermal connection to the side elements of the heat sink and thus in turn an effective main heat dissipation path H parallel to the main plane P of the construction group achieved.
  • FIG. 5 shows an electronic assembly 1 according to a further example of the invention in a schematic longitudinal section.
  • the layer structure of the assembly and also the structure of the heat sink are similar to the previous example in Figure 4.
  • each of the two circuit carriers 10a and 10c is equipped with a power diode 21 and an IGBT 22, although these two components are in are arranged adjacent to each other in the y-direction (not shown), so that only one component per circuit carrier is visible in the sectional view of FIG.
  • the top view of FIG. 6 illustrates how the two components 21 and 22 are arranged next to one another on the respective circuit carrier (here, for example, the third circuit carrier 10c) with respect to the main heat dissipation direction z.
  • FIG. 7 shows an electronic assembly 1 according to a further example of the invention in a schematic longitudinal section.
  • the structure is largely similar to that in the example in FIG is composed.
  • the two sub-elements are connected via a coupling layer 50, which lies in the yz plane and is suitable for reducing thermally induced mechanical stresses between the two sub-elements.
  • FIG. 8 shows an electronic assembly 1 according to a further example of the invention in a schematic longitudinal section.
  • the structure is largely similar to that in the example in FIGS. 5 and 6.
  • the heat sink is composed of two partial elements 31a and 31b.
  • the internal second circuit carrier is not widened quite as much in a T-shape in the direction of the head part of the heat sink, but is only slightly thickened here towards the edge region RI.
  • the two partial elements of the heat sink therefore each have an additional step in this area.
  • FIG. 9 shows an electronic assembly 1 according to a further example of the invention in a schematic longitudinal section.
  • the structure is largely similar to the example in Figures 5 and 6.
  • the structure of the heat sink is varied in such a way that there is an additional division into a head part 30a and a separate part element 30c, with the part element 30c having a U -shaped cross-sectional profile and wraps the other elements of the layered structure.
  • the thermally conductive connection between the sub-element 30c and the head part 30a of the heat sink is realized here by a coupling layer 50 made of a thermally conductive paste.
  • the flat side parts are connected by an insulator layer 40 to the adjacent thick-film conductor tracks.
  • This type of division of the heat sink can also contribute to reducing thermally induced mechanical stresses within the electronic assembly 1.
  • the various shown variants for the arrangement of the semiconductor chips, the structure of the individual circuit carriers and the structure of the heat sink can of course be combined with one another, and the invention is not limited to the exemplary embodiments shown. All examples illustrate the general concept of how a space-saving upright installation in a compact installation space of a superordinate device is made possible by creating an effective heat dissipation path within the assembly level.
  • connection elements pins

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Abstract

Es wird eine Elektronik-Baugruppe (1) mit wenigstens einem Schaltungsträger ( 10a, 10b, 10c), wenigstens einem Halbleiter- chip (20a, 20b) und wenigstens einem Kühlkörper (30) angege- ben, - wobei die Elektronik-Baugruppe (1) eine flächige Grundform mit einer Hauptebene (P) aufweist und insbesondere zum Einbau in eine übergeordnete Vorrichtung vorgesehen ist, wobei der wenigstens eine Schaltungsträger ( 10a, 10b, 10c) parallel zur Hauptebene (P) orientiert ist und einen oder mehrere Halbleiterchips (20a, 20b) trägt, mit denen er flä- chig verbunden ist, - wobei in einem ersten Randbereich (RI) der flächigen Elektronik-Baugruppe (1) der wenigstens eine Kühlkörper (30) angeordnet ist, - und wobei der wenigstens eine Schaltungsträger ( 10a, 10b, 10c) zwischen dem Bereich des wenigstens einen Halbleiterchips (20a, 20b) und dem ersten Randbereich (RI) wenigstens eine Dickschicht-Leiterbahn (11,13,16) auf- weist, die Teil eines Haupt-Entwärmungspf ades (H) ist, welcher im Wesentlichen parallel zur Hauptebene (P) ver- läuft. Weiterhin wird eine Vorrichtung mit einer solchen Elektronik- Baugruppe (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Elektronik-Baugruppe mit Schaltungsträger, Halbleiterchip und Kühlkörper
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronik-Baugruppe mit wenigstens einem Schaltungsträger, wenigstens einem Halb leiterchip und wenigstens einem Kühlkörper, wobei die Elektronik-Baugruppe zum Einbau in eine übergeord nete Vorrichtung vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Er findung eine Vorrichtung mit einer solchen Elektronik-Bau gruppe.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche unterschiedliche Elektronik-Baugruppen bekannt, bei denen ein oder mehrere Halbleiterchips auf einem Schaltungsträger angeordnet sind, und bei denen ein Kühlkörper vorgesehen ist, um die beim Be trieb erzeugte Wärme abzuführen. Vor allem bei den leistungs elektronischen Elektronik-Baugruppen stellt die effektive Entwärmung der Halbleiterchips eine große Herausforderung dar, weil die Leistungsdichten immer höher werden und daher immer mehr Wärme auf immer kleinerem Raum zuverlässig an die Umgebung abgeleitet werden muss, um eine Überhitzung der Bau gruppen zu vermeiden.
Nach dem Stand der Technik werden leistungselektronische Bau gruppen typischerweise in einer horizontalen Schichtfolge aufgebaut. Genauer gesagt wird dabei ein Kühlkörper großflä chig mit einem flächigen Schaltungsträger verbunden, und der Schaltungsträger wird auf seiner gegenüberliegenden Seite wiederum flächig mit den darauf aufgebrachten Halbleiterchips verbunden. In diesem Aufbau liegen entsprechend die Hauptflä chen von Kühlkörper, Schaltungsträger und Halbleiterchip pa rallel zueinander, und es ist ein Haupt-Entwärmungspfad gege ben, der senkrecht zu diesen Hauptflächen liegt. Ein Vorteil dieses herkömmlichen horizontalen Aufbaus ist, dass durch die flächige Anbindung von Halbleiterchip zum Schaltungsträger und von Schaltungsträger zum Kühlkörper jeweils ein effekti- ver Wärmeübergang realisiert werden kann, und bei entspre chend geringer Dicke und großer Fläche des Schaltungsträgers auch eine effektive Wärmeleitung durch diesen hindurch gege ben ist. Dabei kann gleichzeitig eine gute Durchschlagsfes tigkeit erreicht werden.
Nachteilig bei diesem großflächig gekoppelten horizontalen Aufbau nach dem Stand der Technik ist, dass eine solche Elektronik-Baugruppe bei ihrem Einbau in eine übergeordnete Vorrichtung relativ viel lateralen Einbauplatz innerhalb der Einbauebene benötigt. Dies liegt daran, dass die Entwärmungs- richtung senkrecht zur Schichtebene liegt und die freigesetz te Wärme in dieser Richtung an die äußere Umgebung abgegeben werden muss. Der Kühlkörper muss also auf seiner ganzen Au ßenfläche zur äußeren Umgebung hin zugänglich sein, um z.B. von einem Kühlluftstrom angeströmt zu werden. Daher ist bei dieser Art des Aufbaus der minimale Flächenbedarf typischer weise durch die Grundfläche des Kühlkörpers oder auch des Schaltungsträgers vorgegeben, je nachdem welches dieser Ele mente die größere Grundfläche aufweist. Meist wird dann noch zusätzliche Einbaufläche für die Lastanschlüsse und Steuer leitungen benötigt. Bei vielen Anwendungen ist jedoch der insgesamt zur Verfügung stehende Einbauplatz begrenzt. Zum Beispiel stehen in einem Schaltschrank nur eine begrenzte Zahl von Steckplätzen von jeweils limitierter Größe für den Einbau solcher Baugruppen zur Verfügung. Gerade bei Vorrich tungen mit leistungselektronischen Baugruppen ist es schwie rig, eine zuverlässige Wärmeabfuhr zu erreichen und trotzdem den Bauraum klein zu halten, da die Leistung solcher Baugrup pen und damit die freigesetzte Wärme zunehmend größer wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektronik-Baugruppe anzugeben, welche den genannten Nachteil überwindet. Insbe sondere soll eine Elektronik-Baugruppe zur Verfügung gestellt werden, welche einen vergleichsweise geringen Platzbedarf in nerhalb der Einbauebene einer übergeordneten Vorrichtung auf weist und trotzdem effektiv entwärmt werden kann. Eine weite- re Aufgabe ist es, eine übergeordnete Vorrichtung mit einer solchen Elektronik-Baugruppe anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Elektronik-Baugruppe und die in Anspruch 14 beschriebene Vor richtung gelöst.
Die erfindungsgemäße Elektronik-Baugruppe weist einen Schal tungsträger, wenigstens einen Halbleiterchip und wenigstens einen Kühlkörper auf. Sie weist eine flächige Grundform mit einer Hauptebene auf und ist insbesondere zum Einbau in eine übergeordnete Vorrichtung vorgesehen. Der wenigstens eine Schaltungsträger ist im Wesentlichen parallel zu der Haupt ebene orientiert und trägt einen oder mehrere Halbleiter chips, mit denen er flächig verbunden ist. In einem ersten Randbereich der flächigen Elektronik-Baugruppe ist der we nigstens eine Kühlkörper angeordnet. Der wenigstens eine Schaltungsträger weist zwischen dem Bereich des wenigstens einen Halbleiterchips und dem ersten Randbereich wenigstens eine Dickschicht-Leiterbahn auf, die Teil eines Haupt-Ent- wärmungspfades ist, welcher im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene der Elektronik-Baugruppe verläuft.
Bei den Ausführungsformen, bei denen die Elektronik-Baugruppe mehrere Schaltungsträger umfasst, sollen insbesondere alle vorhandenen Schaltungsträger parallel zu der Hauptebene ori entiert sein. Auch die flächig mit dem jeweiligen Schaltungs träger verbundenen Halbleiterchips sind dann parallel zu die ser Hauptebene orientiert. Insgesamt ergibt sich so ein sand wichartiger Schichtaufbau mit ein oder mehreren flächigen Schaltungsträgern und ein oder mehreren flächigen Halbleiter chips. Der wenigstens eine Kühlkörper ist dabei in einem Randbereich dieses mehrschichtigen Aufbaus angeordnet. Die durch den Kühlkörper vermittelte Abfuhr von Wärme an die äußere Umgebung findet dadurch überwiegend in diesem ersten Randbereich statt und nicht auf der ganzen Fläche der Bau gruppe. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass sich Teil stücke des Kühlkörpers über einen größeren Teil der Oberflä- che der Baugruppe erstrecken. Die für die Entwarn ung an die äußere Umgebung relevanten Teilelemente (z.B. Kühlrippen, Kühlstege, Kühlfinnen, Kühlnadeln oder vergleichbare Struk turen) sollen aber auf den ersten Randbereich konzentriert sein, so dass hier der überwiegende Teil der Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgt.
Um die vom Kühlkörper an die Umgebung abzugebende Wärme in den Bereich des Kühlkörpers zu leiten, ist innerhalb der Bau gruppe der genannte Haupt-Entwärmungspfad ausgebildet. We sentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass dieser Haupt-Entwärmungspfad im Wesentlichen parallel zu der Hauptebene der Baugruppe liegt und nicht, wie bei dem be schriebenen Stand der Technik, senkrecht zu dem Schichtauf bau. Der genannte Haupt-Entwärmungspfad kann auch aus mehre ren Teilpfaden zusammengesetzt sein, insbesondere wenn die Baugruppe mehrere Halbleiterchips aufweist, von denen die Wärme jeweils zu einem gemeinsamen Kühlkörper weitergeleitet werden muss. Die zu den jeweiligen Halbleiterchips zugeordne ten Teilpfade können dann jedoch in einen gemeinsamen Entwär- mungspfad münden. Wesentlich ist, dass dieser gemeinsame Ent- wärmungspfad überwiegend innerhalb der Hauptebene der Bau gruppe verläuft. Weiterhin soll in diesem Zusammenhang nicht ausgeschlossen sein, dass die einzelnen Teilpfade (im Bereich neben den Halbleiterchips) sowie auch der daraus gebildete gemeinsame Entwärmungspfad kleinere lokale Teilabschnitte mit einer Wärmeflussrichtung aufweisen, die senkrecht zur Haupt ebene liegt. Wesentlich ist im Zusammenhang mit der vorlie genden Erfindung nur, dass die übergeordnete Richtung der Wärmeabfuhr (also die Netto-Transportrichtung für die abge leitete Wärme) durch eine insgesamt überwiegende Richtungs komponente innerhalb der genannten Hauptebene gekennzeichnet ist. Eine kleiner Winkel in der Netto-Transportrichtung und der Hauptebene von beispielsweise bis zu 10° soll dabei grundsätzlich nicht ausgeschlossen sein.
Diese innerhalb der Hauptebene liegende Richtung des Haupt- Entwärmungspfades wird dadurch erreicht, dass der jeweilige Schaltungsträger in dem relevanten Bereich zwischen einem ge gebenen Halbleiterchip und dem jeweils zugeordneten Kühlkör per eine Dickschicht-Leiterbahn aufweist. Unter einer Dick schicht-Leiterbahn soll dabei allgemein eine Leiterbahn ver standen werden, die eine Schichtdicke von wenigstens 300 pm aufweist. Die Schichtdicke ist dabei die Abmessung der Lei terbahn senkrecht zur Hauptebene. Insbesondere kann eine sol che Schichtdicke oberhalb von 1 mm liegen, beispielsweise in einem vorteilhaften Bereich zwischen 1 mm und 4 mm. Diese Dickschicht-Leiterbahn kann insbesondere aus einem metalli schen Material gebildet sein, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Molybdän oder einer Legierung aus einem oder mehreren der genannten Metalle. Allgemein ist dabei eine kupfer-basierte Dickschicht-Leiterbahn besonders bevorzugt.
Insbesondere ist jeder der vorhandenen Halbleiterchips über eine solche Dickschicht-Leiterbahn mit einem zugeordneten Kühlkörper verbunden. Durch diese zugeordnete Dickschicht- Leiterbahn ist ein Wärmeleitungspfad gegeben, welcher den Be reich des jeweiligen Halbleiterchips mit dem Bereich des zu geordneten Kühlkörpers wärmeleitend verbindet und parallel zur Hauptebene liegt (nämlich in der Ebene des jeweiligen Schaltungsträgers) . Aufgrund der besonders hohen Schichtdicke dieser Leiterbahn wird so ein effektiver Wärmetransport in nerhalb der Hauptebene erreicht, so dass die im Bereich des Halbleiterchips erzeugte Wärme effektiv in den ersten Randbe reich weitergeleitet werden kann und dort vom Kühlkörper an die äußere Umgebung abgegeben werden kann.
Es können insgesamt mehrere solche Dickschicht-Leiterbahnen in der Baugruppe vorliegen. Diese Dickschicht-Leiterbahnen können neben ihrer Funktion als Wärmepfad außerdem für eine elektrische Anbindung des jeweiligen Halbleiterchips genutzt werden. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. So kann diese theoretisch mögliche Doppel-Funktionalität entweder für alle oder auch nur für einen Teil der vorhandenen Dick schicht-Leiterbahnen genutzt werden - je nach Bedarf für die elektrische Anbindung. Vorteilhaft erfüllt aber zumindest einer der vorhandenen Schaltungsträger eine Doppelfunktion, indem durch ihn sowohl die elektrische Anbindung als auch die Entwarn ung des zugehörigen Halbleiterchips realisiert wird.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass aufgrund des innerhalb der Hauptebene lie genden Entwärmungspfades ein Einbau in eine übergeordnete Vorrichtung ermöglicht wird, bei dem die Elektronik-Baugruppe von einem Grundträger der Vorrichtung absteht. Mit anderen Worten ist dann die Hauptebene der Elektronik-Baugruppe nicht wie beim Stand der Technik parallel zu einer Einbauebene der Vorrichtung orientiert, sondern erstreckt sich weg von dem zugeordneten Einbauplatz, insbesondere in einem senkrechten oder schrägen Winkel. Durch den innerhalb der Ebene der Bau gruppe liegenden Entwärmungspfad wird bei dieser Anordnung eine effektive Entwärmung ermöglicht und zwar durch einen Kühlkörper, der insbesondere in einem von dem Einbauplatz abgewandten Randbereich der Baugruppe liegt. Durch diese vom Einbauplatz weg ragende Ausrichtung der Baugruppe wird einer seits erreicht, dass der Einbauplatz nur eine relativ geringe Fläche innerhalb der Einbauebene verbraucht. Andererseits wird durch den mit der Dickschicht-Leiterbahn geschaffenen Entwärmungspfad trotzdem eine effektive Entwärmung zur äuße ren Umgebung gewährleistet. Insgesamt können daher mit dem erfindungsgemäßen Aufbau sehr kompakte Anordnungen von ein oder mehreren solchen Baugruppen in einer übergeordneten Vor richtung realisiert werden, wobei trotzdem hohe Leistungs klassen zum Einsatz kommen können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Grundträger und ein oder mehrere erfindungsgemäße Elektronik-Baugruppen auf. Durch den Grundträger ist eine Einbauebene definiert, von der ein Teilbereich als Einbauplatz für die jeweils zugeordnete Elektronik-Baugruppe ausgebildet ist. Die jeweilige Elektro nik-Baugruppe steht dabei derart von dem Grundträger ab, dass die Hauptebene der Elektronik-Baugruppe einen Winkel von we nigstens 30° zur Einbauebene des Grundträgers bildet. Insbe sondere steht die jeweilige Elektronik-Baugruppe im Wesentli- chen senkrecht von dem Grundträger ab. Die Vorteile der über geordneten Vorrichtung ergeben sich analog zu den bereits be schriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Baugruppe.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschrie benen Ausgestaltungen der Elektronik-Baugruppe und der über geordneten Vorrichtung allgemein vorteilhaft miteinander kom biniert werden.
So kann der Kühlkörper insbesondere eine Entwärmungsfläche ausbilden, die in einem Winkel von wenigstens 30° zur ersten Hauptfläche orientiert ist. Besonders vorteilhaft liegt diese Entwärmungsfläche im Wesentlichen senkrecht zur Hauptebene der Baugruppe. Unter dieser Entwärmungsfläche ist jedoch kei ne planare Oberfläche des Kühlkörpers zu verstehen, sondern eine Einhüllende, durch die der an die Umgebung abgeführte Wärmestrom senkrecht hindurchtritt. Gerade in diesem Bereich ist es vorteilhaft, wenn der Kühlkörper nicht eben ausgestal tet ist, sondern oberflächenvergrößernde Strukturen aufweist, wie beispielsweise Kühlrippen, Kühlstege, Kühlfinnen, Kühlna deln oder ähnliches, um die Entwärmung an die Umgebung zu verbessern. Beispielsweise kann der Kühlkörper eine Mehrzahl von Kühlrippen aufweisen, welche sich insbesondere parallel zur Hauptebene der Baugruppe erstrecken und die Wärme so noch weiter in Richtung des Haupt-Entwärmungspfades herausleiten. Alternativ zu solchen parallelen Kühlrippen kann der Kühlkör per aber auch als Kühlstern mit schrägen und insbesondere auch in sich verzweigten Kühlungsstrukturen ausgestaltet sein.
Allgemein vorteilhaft kann die Elektronik-Baugruppe als leis tungselektronische Baugruppe ausgestaltet sein. Dabei ist we nigstens einer der vorhandenen Halbleiterchips als leistungs elektronisches Bauelement ausgebildet. Bei einer solchen Leistungs-Baugruppe kommen die Vorteile der Erfindung in Be zug auf den geringen Platzbedarf in der Einbauebene und die trotzdem ermöglichte effektive Entwärmung besonders wirksam zum Tragen. Als leistungselektronisches Bauelement kann dabei beispielsweise eine Leistungs-Diode und/oder ein IGBT (ein Bipolar-Transistor mit isolierter Gate-Elektrode) zum Einsatz kommen, aber auch andere aus dem Stand der Technik grundsätz lich bekannte Leistungs-Bauelemente.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Elektro nik-Baugruppe mehrere Halbleiterchips aufweisen, die auf dem selben Schaltungsträger angeordnet sind. Diese Halbleiter chips können bezüglich des Haupt-Entwärmungspfades nebenein ander oder hintereinander angeordnet sein, wobei auch Kombi nationen dieser beiden Varianten der Anordnung möglich sind. Durch die zugeordnete Dickschicht-Leiterbahn können mehrere solche Halbleiterchips gegebenenfalls auch elektrisch mit einander verbunden sein. So kann beispielsweise eine Common- Emitter-Schaltung zwischen einer Leistungs-Diode und einem IGBT realisiert sein. Alternativ oder zusätzlich können meh rere Bauelemente auch in der Art einer Halbbrücke oder einer Vollbrücke durch ein oder mehrere Dickschicht-Leiterbahnen untereinander elektrisch verbunden sein, wobei gleichzeitig ein gemeinsamer Entwärmungspfad gebildet ist.
Allgemein vorteilhaft ist die wenigstens eine Dickschicht- Leiterbahn thermisch an den zugeordneten Kühlkörper angekop pelt. Insbesondere ist diese thermische Ankopplung so ausge staltet, dass zwischen dem jeweiligen Halbleiterchip und dem zugeordneten Kühlkörper der insgesamt überwiegende Entwär- mungspfad über die zugeordnete Dickschicht-Leiterbahn ver läuft.
Bei dieser Ausführungsvariante ist es besonders bevorzugt, wenn die thermische Anbindung von wenigstens einer der vor handenen Dickschicht-Leiterbahnen an den Kühlkörper durch eine großflächige Isolationsschicht vermittelt wird. Unter „großflächig" soll dabei eine Isolationsschicht verstanden werden, die eine Fläche aufweist, welche wenigstens so groß ist wie die Fläche der zugehörigen Dickschicht-Leiterbahn. Die Fläche einer Dickschicht-Leiterbahn kann dabei allgemein beispielsweise oberhalb von 1 cm2 liegen, insbesondere im Be reich von wenigstens 5 cm2. Die Breite eine Dickschicht-Lei- terbahn kann allgemein bei 1 cm oder mehr liegen. Bei dieser Dimensionierung wird vorteilhaft ein besonders effektiver Wärmetransport zum Kühlkörper gewährleistet.
Wenn zumindest an irgendeiner Stelle entlang des Entwärmungs- pfades eine Ankopplung über eine großflächige Isolations schicht erfolgt, dann kann hierdurch eine elektrische Isola tion zwischen dem Kühlkörper und der (ggf. auch elektrisch mit dem Halbleiterchip verbundenen) Dickschicht-Leiterbahn bewirkt werden. Je nach Spannungsklasse der Elektronik- Baugruppe können dabei unterschiedliche Schichtdicken der Isolationsschicht zum Einsatz kommen. Zum Beispiel kann die Schichtdicke unterhalb von 1 mm liegen, insbesondere in einem Bereich zwischen 25 gm und 500 gm. Mit derartigen Schichtdi cken können hohe Spannungsfestigkeiten erreicht werden. Auf grund der vergleichsweise großen Fläche kann dabei gleichzei tig eine effektive thermische Ankopplung erreicht werden, trotz der typischerweise eher geringen thermischen Leitfähig keit von elektrisch isolierenden Materialien. Geeignete Mate rialien für eine solche elektrisch isolierende Kopplungs schicht sind allgemein organische Polymere, insbesondere Polyimide oder Epoxide, die gegebenenfalls auch Füllstoffe aus anderen Materialien aufweisen können, insbesondere kera mische Füllstoffe zur Einstellung eines gewünschten thermi schen Expansionskoeffizienten.
Allgemein kann eine solche großflächige Isolationsschicht beispielsweise zwischen einer Dickschicht-Leiterbahn eines Schaltungsträgers und einem flächigen Seitenelement eines Kühlkörpers angeordnet sein. Alternativ kann eine solche großflächige Isolationsschicht aber auch innerhalb eines Schaltungsträgers liegen, um eine elektrische Entkopplung zwischen zwei übereinanderliegenden Dickschicht-Leiterbahnen zu erreichen. Dann kann eine dieser Dickschicht-Leiterbahnen mit dem Halbleiterchip verbunden sein, und die andere kann mit dem Kühlkörper verbunden sein, wobei durch die Isolati onsschicht eine elektrische Isolation zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterchip erreicht wird, bei trotzdem ver gleichsweise guter thermischer Ankopplung aufgrund der großen Fläche und der geringen Schichtdicke der Isolationsschicht.
So kann der wenigstens eine Schaltungsträger eine kunststoff basierte dielektrische Schicht umfassen. Dabei kann es sich insbesondere um eine innenliegende Schicht eines mehrschich tigen Schaltungsträgers handeln, welche sandwichartig von elektrisch leitfähigen Schichten und insbesondere von Dick schicht-Leiterbahnen umgeben ist. Ein solcher Schaltungsträ- ger mit einer Polyimid-basierten dielektrischen Schicht ist beispielsweise von der Firma Dupont unter dem Namen ODBC (für „organic direct-bond copper"-Substrat) erhältlich. Solche or ganischen Dickkupfer-Substrate weisen im Vergleich zu Schal tungsträgern mit keramischen dielektrischen Schichten den Vorteil auf, dass die organische Schicht mechanische Spannun gen aufgrund der hohen Leiterbahn-Dicken sehr viel besser ausgleichen kann als eine keramische Schicht. Hierdurch ist es möglich, Leiterbahnen mit den genannten hohen Schichtdi cken einzusetzen, ohne dass es beim Betrieb zu spannungsbe dingten Brüchen oder Rissen im Schaltungsträger kommt. Die dielektrische Schicht muss nicht ausschließlich aus einem organischen Kunststoff bestehen, kann aber vorteilhaft auf einem solchen Material basieren. Es kann sich insbesondere aus einem Verbundmaterial aus einem organischen Polymer und ein oder mehreren weiteren Bestandteilen handeln.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform kann der wenigstens eine Schaltungsträger auch durch einen metal lischen Leadframe gebildet sein. Auch hier kann es sich wie derum besonders bevorzugt um einen kupfer-basierten Leadframe handeln. Unter einem Leadframe wird hierbei ein sogenannter Anschlussrahmen verstanden, also ein lötbarer metallischer Leitungsträger in Form eines Rahmens oder Kamms. Die Struktur eines solchen Leadframes kann insbesondere durch Stanzen oder Laserbearbeitung erzeugt sein. Der Leadframe kann insbesonde- re einen flächigen Anbindungsbereich für den jeweiligen Halbleiterchip und einen weiteren flächigen Anbindungsbereich für die weitere thermische Anbindung an den zugeordneten Kühlkörper aufweisen. Auch hier liegen jedenfalls dicke Lei terbahnen in Form der einzelnen Stege vor, welche neben der elektrischen Anbindung auch eine Entwärmung des zugeordneten Halbleiterchips mit einem Entwärmungspfad innerhalb der Bau- gruppen-Ebene bewirken. Zur elektrischen Isolation zwischen dem Kühlkörper und dem Halbleiterchip kann auch ein solcher Leadframe zumindest im Bereich der Anbindungsstelle für den Kühlkörper mit einer entsprechenden elektrisch isolierenden Schicht versehen sein.
Auch für den Aufbau der einzelnen Schichten der Elektronik- Baugruppe und insbesondere die Anzahl und Abfolge der einzel nen Schichten sowie die Zahl der darin vorhandenen Teilele mente sind unterschiedliche vorteilhafte Ausführungsvarianten möglich.
So kann allgemein vorteilhaft der wenigstens eine Halbleiter chip auf einer ersten Oberfläche mit einem ersten Schaltungs träger flächig verbunden sein und auf einer zweiten, gegen überliegenden Oberfläche mit einem zweiten Schaltungsträger oder mit einem metallischen Blech flächig verbunden sein. Mit anderen Worten ist dann der Schaltungsträger sandwichartig zwischen zwei thermisch leitfähige Strukturen eingebettet, die jeweils eine Entwärmung mit einer Haupt-Entwärmungsrich- tung innerhalb der Baugruppen-Ebene bewirken. Mit dieser Aus führungsform wird daher eine besonders effektive beidseitige Entwärmung des Halbleiterchips erreicht, wobei auf beiden Seiten der Weitertransport der Wärme parallel zur Chip-Ebene erfolgt. Selbstverständlich können auch mehrere solche Halb leiter-Chips in entsprechender Weise sandwichartig zwischen zwei solche wärmeleitende Elemente eingebettet sein.
Bei dieser Ausführungsform mit einer sandwichartigen Einbet tung des Halbleiterchips ist es besonders vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen dem ersten Schaltungsträger und dem zweiten Schaltungsträger bzw. dem metallischen Blech wenig stens 5 gm beträgt. Besonders vorteilhaft kann dieser Abstand in einem Bereich zwischen 25 gm und 400 gm liegen. Dieser Ab stand ist hoch genug, um eine ausreichend hohe Durchschlag festigkeit zwischen den gegenüberliegenden metallischen Ele menten zu gewährleisten und gering genug, um eine ausreichend gute beidseitige thermische Ankopplung des Halbleiterchips zu ermöglichen .
Weiterhin ist es bei dieser Ausführungsform besonders vor teilhaft, wenn der Zwischenraum zwischen dem ersten Schal tungsträger und dem zweiten Schaltungsträger bzw. dem metal lischen Blech mit einem elektrisch isolierenden Füllstoff aufgefüllt ist. Hierdurch können Spannungsüberschläge vor teilhaft vermieden werden, und es können auch mechanische Spannungen zwischen den einzelnen Elementen ausgeglichen wer den. Als Materialien können hier vorteilhaft silikon-basierte Materialien, typische Underfill-Materialien und Moldmassen wie z.B. Globtop zum Einsatz kommen. Optional kann ein sol ches Polymermaterial wiederum mit einem Füllstoff gefüllt sein, um einen vorgegebenen Wert für den thermischen Expansi onskoeffizienten einzustellen und auf diese Weise thermisch induzierte Spannungen zwischen dem Halbleiterchip und den Schaltungsträgern bzw. dem metallischen Blech vorteilhaft ge ring zu halten.
Alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen sandwicharti gen Einbettung des Halbleiterchips kann zumindest ein innen liegender Schaltungsträger auf jeder seiner Hauptflächen mit einem oder mehreren zugehörigen Halbleiterchips flächig ver bunden sein. Auf diese Weise ergibt sich auch bezüglich des innenliegenden Schaltungsträgers ein sandwichartiger Aufbau. Diese Ausführungsform kann besonders vorteilhaft mit der vor hergehenden kombiniert werden, so dass insgesamt zwei Ebenen von Halbleiterchips vorliegen, welche jeweils beidseitig (durch einen gemeinsamen innenliegenden Schaltungsträger und einen separaten außenliegenden Schaltungsträger) entwärmt werden. Diese Big-Mac-artige Struktur aus insgesamt wenig- stens fünf Schichten kann insbesondere im Wesentlichen sym metrisch bezüglich des innenliegenden Schaltungsträgers auf gebaut sein.
Besonders vorteilhaft ist es bei dieser Ausführungsform, wenn sich der innenliegende Schaltungsträger in Richtung des ers ten Randbereichs der Elektronik-Baugruppe in seinem Quer schnitt verdickt. Auf diese Weise kann die thermische Anbin dung des innenliegenden Schaltungsträgers an den dort vorlie genden Kühlkörper noch weiter verbessert werden. So kann der innenliegende Schaltungsträger beispielsweise ein T-förmiges Profil aufweisen, wobei die thermische Anbindung an den Kühl körper im Bereich des Querbalkens des T-Profils realisiert ist.
Gemäß einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsvari ante kann der Kühlkörper in wenigstens zwei mechanisch ge trennte Teilelemente aufgeteilt sein. Die Trennlinie zwischen diesen Teilelementen kann insbesondere zentral durch die Hauptebene der Baugruppe verlaufen. Insbesondere bei dem vor ab beschriebenen sandwichartigen Schichtaufbau kann dann je der Hälfte des Sandwichs ein eigenes Teilelement des Kühlkör pers zugeordnet sein. Auf diese Weise können thermisch indu zierte mechanische Spannungen im Bereich des Kühlkörpers (bzw. zwischen diesem und den benachbarten Elementen) wirksam reduziert sein.
Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch möglich, den Kühlkörper so aufzuteilen, dass eine Trennlinie senkrecht zu der Hauptebene der Baugruppe verläuft. Insbesondere kann der Kühlkörper so in ein Kopfelement und ein weiteres Element mit zwei Seitenteilen aufgeteilt sein, wobei das Kopfelement im ersten Randbereich angeordnet ist und sich die Seitenteile parallel zur Hauptebene erstrecken und die übrigen Elemente des Schichtaufbaus gewissermaßen einhüllen.
Allgemein und unabhängig vom genauen Aufbau und des Kühlkör pers kann auch ein Zwischenraum zwischen dem Kühlkörper und der wenigstens einen Dickschicht-Leiterbahn mit einem Füll stoff aufgefüllt sein. Alternativ oder zusätzlich können auch noch weitere Maßnahmen zur mechanischen Entkopplung innerhalb der Baugruppe zum Einsatz kommen, beispielsweise durch Me tallschäume als Füllstoff, durch Federn zwischen den einzel nen Elementen sowie auch durch Verzweigungen zwischen den einzelnen Dickschicht-Leiterbahnen oder die Ausbildung eines Stapels, bei dem die Gesamtdicke einer Dickschicht-Leiterbahn aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt ist.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung kann der Grundträger parallel zur Rückwand eines Schalt schranks verlaufen oder auch durch diese Rückwand selbst ge geben sein. Entsprechend kann es sich bei der Vorrichtung um eine Schaltvorrichtung und/oder um eine Steuervorrichtung handeln, welche insbesondere zur Steuerung eines elektrischen Antriebs ausgelegt sein kann. Beispielsweise kann es sich um eine Steuervorrichtung für eine industrielle Anwendung, ins besondere für eine industrielle Fertigungsanlage handeln, welche ein oder mehrere erfindungsgemäße Elektronik-Bau gruppen aufweist. Bei den einzelnen Elektronik-Baugruppen kann es sich zumindest teilweise bevorzugt um Leistungsmodule handeln, die zum modularen Einbau in die Einbauebene der Vor richtung vorgesehen sind, beispielsweise um Umrichter-Module. Hierzu kann die jeweilige Elektronik-Baugruppe entsprechende Verbindungselemente aufweisen, beispielsweise steckbare Pins zum Einstecken in einen Steckplatz auf dem Grundträger. Zu sätzlich zu den bereits beschriebenen Elementen kann die übergeordnete Vorrichtung optional auch eine Kühlvorrichtung, ein Gehäuse und/oder ein oder mehrere Stromschienen aufwei sen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Elektro nik-Baugruppe nach dem Stand der Technik zeigt, Figur 2 eine Elektronik-Baugruppe nach einem ersten Bei spiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt zeigt,
Figur 3 eine Aufsicht auf eine innere Dickschicht- Leiterbahn der Figur 2 zeigt,
Figuren 4 und 5 schematische Längsschnitte von Elektronik- Baugruppen nach weiteren Beispielen der Erfindung zeigen,
Figur 6 eine Aufsicht auf den dritten Schaltungsträger der Figur 5 zeigt und
Figuren 7 bis 9 weitere Varianten für den Aufbau des Kühlkör pers in solchen Elektronik-Baugruppen zeigen.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist eine schematische Schnittdarstellung einer Elektronik-Baugruppe nach dem Stand der Technik gezeigt, wel che typisch für den grundsätzlichen Aufbau gängiger leis tungselektronischer Baugruppen ist. So sind hier zwei Halb leiterchips 20 flächig mit einem Schaltungsträger 10 verbun den und auf ihrer Außenseite mit einem Vergussmittel 25 ver gossen. Der Schaltungsträger 10 ist auf seiner gegenüberlie genden Hauptfläche mit einem Kühlkörper 30 verbunden, der Kühlrippen zur Abfuhr von Wärme an die äußere Umgebung auf weist. Dadurch ist insgesamt eine flächige Elektronik-Bau gruppe 1 gegeben, deren Hauptebene hier innerhalb der xy-Ebene liegt. Die Richtung des Haupt-Entwärmungspfades H liegt senkrecht zu dieser Ebene, also in z-Richtung. Um eine Entwärmung zu einer nach außen offenliegenden Seite zu ge währleisten, wird eine solche Baugruppe nach dem Stand der Technik flach in einen Einbauplatz 110 einer übergeordneten Vorrichtung eingebaut. Mit anderen Worten liegt die Einbau ebene dann auch innerhalb der xy-Ebene, und der Haupt-Entwär- mungspfad H ist im Wesentlichen senkrecht zur Einbauebene orientiert. Hierdurch entsteht ein relativ großer lateraler Flächenbedarf für den Einbauplatz 110 in der xy-Ebene. Die Größe des benötigten Einbauplatzes ist typischerweise sogar noch größer als die laterale Abmessung der hier gezeigten Elemente, weil meist noch zusätzlicher Platz innerhalb der xy-Ebene für die hier der Übersichtlichkeit halber nicht nä her dargestellten Lastanschlüsse und Steuerleitungen vorgese hen werden muss. Insgesamt benötigt damit ein solches hori zontal aufgebautes Elektronik-Modul sehr viel Bauraum inner halb der Einbauebene einer übergeordneten Vorrichtung.
In Figur 2 ist eine Elektronik-Baugruppe 1 nach einem ersten Beispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein schematischer Längsschnitt, der senkrecht zu einer Hauptebene P der insge samt flächig ausgebildeten Elektronik-Baugruppe verläuft. Die gezeigt Elektronik-Baugruppe umfasst drei Schaltungsträger 10a, 10b und 10c, welche jeweils mit ihren Hauptflächen pa rallel zu der Hauptebene P liegen. Sie liegen sandwichartig übereinander. Die beiden äußeren Schaltungsträger 10a und 10c sind jeweils mit zwei Halbleiterchips bestückt, nämlich in diesem Beispiel jeweils mit einer Leistungsdiode 21 und einem IGBT 22. Die beiden äußeren Schaltungsträger 10a und 10c sind in diesem Beispiel aus mehrschichtigen Dickkupfer-Substraten gebildet. Sie weisen also Dickschicht-Leiterbahnen 11 und 13 aus Kupfer auf, wobei prinzipiell auch andere metallische Ma terialien für die Dickschicht-Leiterbahnen zum Einsatz kommen können. Die Dicke der einzelnen Leiterbahnen in x-Richtung kann dabei insbesondere wenigstens 1 mm betragen. Jeder der beiden Schaltungsträger 10a und 10c weist in diesem Beispiel eine innere 11 und eine äußere Dickschicht-Lage 13 auf und dazwischen eine organische dielektrische Schicht 12. Der Schaltungsträger-Aufbau kann insgesamt ähnlich wie bei den sogenannten ODBC-Substraten von Dupont ausgestaltet sein. Die beiden Halbleiterchips 21,22 auf jedem Schaltungsträger 10a bzw. 10c sind also auf einer innenliegenden Dickschicht- Leiterbahn 11 angeordnet und mit dieser z.B. durch Löten, Sintern, Diffusionslöten oder Kleben verbunden. Dadurch ist zum einen ein elektrischer Kontakt hergestellt und zum ande ren eine thermische Anbindung vermittelt. Im gezeigten Bei spiel sind die Leistungsdiode 21 und der zugehörige IGBT 22 durch die jeweilige innere Dickschicht-Leiterbahn 11 nach Art einer Common-Emitter-Schaltung verbunden. Die übrigen Kontak te des IGBT sind mit zugehörigen Anschlusselementen 22b ver bunden, von denen in der hier nicht gezeigten y-Richtung je weils zwei hintereinander angeordnet sind und die als Pins zum Einstecken in eine übergeordnete Vorrichtung ausgestaltet sein können. Der zweite Kontakt der jeweiligen Leistungsdiode 21 ist über ein Verbindungselement 21a mit einer zentralen Dickschichtleiterbahn 16 des innenliegenden zweiten Schal tungsträgers 10b verbunden. Auch die IGBTs 22 sind über zuge hörige Verbindungselemente 22a an die zentrale Dickschicht leiterbahn 16 angekoppelt.
Auf diese Weise sind alle vier Halbleiterchips 20, 21 ther misch an die parallel zur Hauptebene P verlaufenden Dick schicht-Leiterbahnen 11 und 16 angekoppelt. Die inneren Dick schicht-Leiterbahnen 11 sind wiederum über die dünne dielek trische Schicht des jeweiligen Schaltungsträgers thermisch an die jeweilige äußere Dickschicht-Leiterbahn 13 angekoppelt.
So kann durch die gute thermische Leitfähigkeit ein Wärme transport in z-Richtung erreicht werden, und die beim Betrieb der Halbleiterchips erzeugte Verlustwärme kann in Richtung des ersten Randbereichs RI der Baugruppe abgeführt werden. In diesem ersten Randbereich RI ist ein Kühlkörper 30 angeord net. Dieser Kühlkörper weist z.B. eine Mehrzahl von Kühlrip pen auf, die ebenfalls parallel zur Hauptebene verlaufen kön nen. Die (einhüllende) Außenfläche des Kühlkörpers stellt ei ne Entwärmungsfläche E dar, durch die ein Haupt-Entwärmungs- pfad H für die Abführung von Wärme an die äußeren Umgebung hindurchtritt. Insgesamt liegt dieser Haupt-Entwärmungspfad im Wesentlichen parallel zur Hauptebene P der Baugruppe. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wärme durch die Dickschicht- Leiterbahnen 11, 13 und 16 in z-Richtung von den Bereichen der jeweiligen Halbleiterchips zum Kühlkörper hin transpor tiert wird. Es ergeben sich somit mehrere Teilpfade Hi, die innerhalb der einzelnen Dick-Schichtleiterbahnen und jeweils im Wesentlichen in z-Richtung verlaufen. Somit ergibt sich eine Netto-Entwärmungsrichtung parallel zur Hauptebene. Dabei soll allerdings nicht ausgeschlossen sein, dass lokal auch ein Wärmeübertritt in x-Richtung stattfindet, z.B. wenn die Wärme von dem jeweiligen Halbleiterchip 21,22 in die benach barte Dickschichtleiterbahn 11 bzw. 16 abgeführt wird oder wenn sie von der inneren Dickschichtleiterbahn 11 über die dielektrische Schicht 12 in die benachbarte äußere Dick schichtleiterbahn 13 weitergeleitet wird.
Wesentlich ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfin dung, dass die Netto-Entwärmungsrichtung H parallel zur Hauptebene P verläuft. Hierdurch wird erreicht, dass die Elektronik-Baugruppe hochkant, also mit einer Anbindung in ihrem schmalen zweiten Randbereich R2 in eine übergeordnete Vorrichtung eingebaut werden kann. Nur äußerst schematisch ist in Figur 2 ein Teil eines Grundträgers 100 gezeigt, wel cher Teil einer übergeordneten Vorrichtung ist und einen Ein bauplatz 110 für die Baugruppe 1 aufweist. Durch die be schriebene Hochkant-Anordnung wird erreicht, dass der Einbau platz 110 innerhalb der in der xy-Ebene verlaufenden Einbau ebene G nur eine relativ geringe laterale Fläche benötigt. Trotzdem wird durch die beschriebene Entwärmung in z- Richtung, die über die Dickschicht-Leiterbahnen vermittelt wird, ein Wärmetransport weg vom Grundkörper und damit eine effektive Entwärmung an die äußere Umgebung erreicht. Die Verbindung mit dem Grundträger 100 kann beispielsweise durch ein Einstecken der Pins 22b erreicht werden.
Beim Beispiel der Figur 2 sind mehrere Halbleiterchips 21, 22 nach Art eines mehrschichtigen Sandwichs zwischen insgesamt drei Schaltungsträgern 10a, 10b, 10c eingebettet. Dies ist aber nicht unbedingt nötig, um die Vorteile der Erfindung zu verwirklichen. Wesentlich ist nur, dass zumindest für einen Halbleiterchip mit wenigstens einer Dickschichtleiterbahn eines zugehörigen Schaltungsträgers ein Wärmetransport paral lel zur Baugruppen-Ebene und somit weg vom Einbauplatz 110 in der übergeordneten Vorrichtung erreicht wird.
Der sandwichartige Aufbau beim Beispiel der Figur 2 bringt den Vorteil mit sich, dass die einzelnen Halbleiterchips durch ihre beidseitige Ankopplung an die benachbarten Dick schicht-Leiterbahnen 11, 16 noch effektiver entwarn t werden können. Dabei beträgt der Abstand d zwischen diesen gegen überliegenden Dickschicht-Leiterbahnen 11 und 16 vorteilhaft wenigstens 10 mpi, so dass Spannungsüberschläge vermieden wer den. Der gebildete Zwischenraum kann optional mit einem hier nicht gezeigten elektrisch isolierenden Füllstoff aufgefüllt werden.
In Figur 3 ist eine der inneren Dickschicht-Leiterbahnen 11 aus dem Beispiel der Figur 2 mit der darauf angeordneten Leistungs-Diode 21 und dem IGBT 22 in schematischer Aufsicht gezeigt. Außerdem ist die Lage der zugehörigen Verbindungs elemente 21a, 22a zur Anbindung an die zentrale Dickschicht- Leiterbahn und der zusätzlichen Anschlusselemente 22b des IGBT angedeutet. Die Schnittlinie II-II entspricht dabei der Position des Querschnitts der Figur 2. In diesem Beispiel sind die beiden Halbleiterchips 21, 22 in z-Richtung benach bart angeordnet, so dass sie bezüglich des Haupt- Entwärmungspfades hintereinander liegen.
Die Anordnung von diesen beiden Halbleiterchips auf dem ge meinsamen Schaltungsträger 10a ist nur beispielhaft zu ver stehen. Es können auch andere Topologien und Verschaltungen von anderen Arten und Anzahlen von Chips zum Einsatz kommen, wobei auch mehrere Chips gestapelt werden können und zusätz liche Leiterbahnen vorliegen können. Es können auch mehrlagi ge Leiterbahnen eingesetzt werden, um einen niederinduktiven Aufbau zu erreichen. Optional kann auch eine elektrische Durchkontaktierung durch das Halbleitermaterial in Form von Vias vorliegen, um die elektrische Anbindung der Chips zu er leichtern.
Figur 4 zeigt eine Elektronik-Baugruppe 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt. Die grundlegende Anordnung der Halbleiterchips 21, 22 und ihre Einbettung zwischen insgesamt drei Schaltungsträger 10a, 10b, 10c ist ähnlich wie beim Beispiel der Figur 2. Im Interschied dazu sind die beiden außenliegenden Schaltungsträger 10a und 10c hier im Wesentlichen durch das Material der Dickschicht- Leiterbahnen 11 gebildet. Sie können also z.B. als Kupfer- Leadframes ausgestaltet sein. Anstelle der außenliegenden Dickschicht-Leiterbahnen aus der Figur 2 weist hier der Kühl körper zusätzlich zu dem aus Figur 2 weitgehend übernommenen Kopfteil 30a noch zwei flächige Seitenteile 30b auf, die sich parallel zu den Dickschicht-Leiterbahnen 11 erstrecken. Der Wärmetransport zwischen den Dickschicht-Leiterbahnen 11 und den Seitenteilen 30b des Kühlkörpers wird hier durch eine Isolationsschicht 40 vermittelt, so dass der Kühlkörper von den Leiterbahnen elektrisch isoliert ist. Aufgrund der großen Fläche und der geringen Schichtdicke der Isolationsschicht 40 wird trotzdem eine gute thermische Anbindung an die Seiten elemente des Kühlkörpers und damit wiederum ein effektiver Haupt-Entwärmungspfad H parallel zur Hauptebene P der Bau gruppe erreicht.
Figur 5 zeigt eine Elektronik-Baugruppe 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt. Der Schichtaufbau der Baugruppe und auch der Aufbau des Kühlkör pers sind ähnlich wie beim vorhergehenden Beispiel der Figur 4. Auch hier ist jeder der beiden Schaltungsträger 10a und 10c mit einer Leistungs-Diode 21 und einem IGBT 22 bestückt, wobei diese beiden Bauelemente jedoch hier in der nicht dar gestellten y-Richtung benachbart angeordnet sind, so dass in der Schnittdarstellung der Figur 5 jeweils nur ein Bauelement pro Schaltungsträger sichtbar ist. Die Aufsichtsdarstellung der Figur 6 verdeutlicht, wie auf dem jeweiligen Schaltungs träger (hier zum Beispiel dem dritten Schaltungsträger 10c) die beiden Bauelemente 21 und 22 bezüglich der Haupt-Entwär- mungsrichtung z nebeneinander angeordnet sind.
Figur 7 zeigt eine Elektronik-Baugruppe 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt. Bei diesem Beispiel ist der Aufbau weitgehend ähnlich wie beim Beispiel der Figur 4. Der wesentliche Unterschied dazu ist, dass der Kühlkörper hier aus zwei Teilelementen 31a und 31b zusammengesetzt ist. Die Verbindung der beiden Teilelemente wird über eine Kopplungsschicht 50 vermittelt, die in der yz- Ebene liegt und geeignet ist, thermisch induzierte mechani sche Spannungen zwischen den beiden Teilelementen zu reduzie ren.
Figur 8 zeigt eine Elektronik-Baugruppe 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt. Bei diesem Beispiel ist der Aufbau weitgehend ähnlich wie beim Beispiel der Figuren 5 und 6. Der wesentliche Unterschied ist, dass auch hier - ähnlich wie beim Beispiel der Figur 7 - der Kühlkörper aus zwei Teilelementen 31a und 31b zusammenge setzt ist. Im Unterschied zum Beispiel der Figur 7 ist hier der innenliegende zweite Schaltungsträger in Richtung des Kopfteils des Kühlkörpers nicht ganz so stark T-förmig ver breitert, sondern er ist hier zum Randbereich RI hin nur leicht verdickt. Um eine gute thermische Ankopplung an die zentrale Dickschicht-Leiterbahn 16 zu erreichen, weisen daher die beiden Teilelemente des Kühlkörpers in diesem Bereich je weils eine zusätzliche Stufe auf.
Figur 9 zeigt eine Elektronik-Baugruppe 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt. Auch hier ist der Aufbau weitgehend ähnlich wie beim Beispiel der Figuren 5 und 6. Hier ist der Aufbau des Kühlkörpers in der Weise variiert, dass eine zusätzliche Aufteilung in ein Kopf teil 30a und ein davon separates Teilelement 30c vorliegt, wobei das Teilelement 30c ein U-förmiges Querschnittsprofil aufweist und die übrigen Elemente des Schichtaufbaus ein hüllt. Die thermisch leitende Verbindung zwischen dem Teil element 30c und dem Kopfteil 30a des Kühlkörpers ist hier durch eine Kopplungsschicht 50 aus einer Wärmeleitpaste rea lisiert. Die flächigen Seitenteile sind durch eine Isolati onsschicht 40 mit den benachbarten Dickschicht-Leiterbahnen verbunden. Auch diese Art der Aufteilung des Kühlkörpers kann dazu beitragen, thermisch induzierte mechanische Spannungen innerhalb der Elektronik-Baugruppe 1 zu reduzieren. Die verschiedenen gezeigten Ausführungsvarianten für die An ordnung der Halbleiterchips, den Aufbau der einzelnen Schal tungsträger und den Aufbau des Kühlkörpers können selbstver ständlich untereinander kombiniert werden, und die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbespiele be schränkt. Alle Beispiele verdeutlichen das allgemeine Kon zept, wie durch die Schaffung eines effektiven Entwärmungs- Pfades innerhalb der Baugruppenebene ein platzsparender Hoch kant-Einbau in einem kompakten Einbauplatz einer übergeordne- ten Vorrichtung ermöglicht wird.
Bezugszeichenliste
1 Elektronik-Baugruppe
10 Schaltungsträger
10a erster Schaltungsträger
10b zweiter Schaltungsträger oder metallisches Blech
10c dritter Schaltungsträger
11 innere Dickschicht-Leiterbahn
12 organische dielektrische Schicht
13 äußere Dickschicht-Leiterbahn
16 zentrale Dickschicht-Leiterbahn
20 Halbleiterchip
21 Leistungs-Diode
21a Verbindungselernent
22 IGBT
22a Verbindungselernent
22b Anschlusselemente (Pins)
25 Vergussmittel
30 Kühlkörper
30a Kopfteil
30b flächiges Seitenteil
30c U-förmiges Teilelement
31a erstes Teilelement
31b zweites Teilelement
40 IsolationsSchicht
50 KopplungsSchicht
100 Grundträger
110 Einbauplatz d Abstand
E Entwärmungsebene
G Einbauebene
H Haupt-Entwärmungspfad
Hi Teilpfade
P Hauptebene der Elektronik-Baugruppe
RI erster Randbereich der Elektronik-Baugruppe
R2 zweiter Randbereich x,y,z kartesische Koordinaten

Claims

Patentansprüche
1. Elektronik-Baugruppe (1) mit wenigstens einem Schaltungs träger (10a,10b,10c), wenigstens einem Halbleiterchip
(20a,20b) und wenigstens einem Kühlkörper (30),
- wobei die Elektronik-Baugruppe (1) eine flächige Grundform mit einer Hauptebene (P) aufweist,
- wobei der wenigstens eine Schaltungsträger (10a,10b,10c) parallel zur Hauptebene (P) orientiert ist und einen oder mehrere Halbleiterchips (20a,20b) trägt, mit denen er flä chig verbunden ist,
- wobei in einem ersten Randbereich (RI) der flächigen Elek tronik-Baugruppe (1) der wenigstens eine Kühlkörper (30) angeordnet ist,
- und wobei der wenigstens eine Schaltungsträger
(10a,10b,10c) zwischen dem Bereich des wenigstens einen Halbleiterchips (20a,20b) und dem ersten Randbereich (RI) wenigstens eine Dickschicht-Leiterbahn (11,13,16) aufweist, die Teil eines Haupt-Entwärmungspfades (H) ist, wobei die wenigstens eine Dickschicht-Leiterbahn (11,13,16) ther misch an den Kühlkörper (30) angekoppelt ist und eine Schichtdicke von wenigstens 300 pm aufweist, und wobei der Haupt-Entwärmungspfad (H) parallel zur Hauptebene P von dem wenigstens einen Halbleiterchip (20a,20b) zum Kühlkörper (30) im ersten Randbereich (RI) hin verläuft und wobei wenigstens ein Halbleiterchip sowohl elektrisch als auch thermisch an die Dickschicht-Leiterbahn (11,13,16) angebun den ist.
2. Elektronik-Baugruppe (1) nach Anspruch 1, welche als leis tungselektronische Baugruppe ausgebildet ist und wenigstens ein leistungselektronisches Bauelement als Halbleiterchip aufweist, insbesondere wenigstens eine Leistungs-Diode (21) und/oder ein IGBT (22).
3. Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, welche mehrere Halbleiterchips (21,22) auf demselben Schaltungsträger (10a,10c) aufweist, welche bezüglich des Haupt-Entwärmungspfades (H) nebeneinander und/oder hinterei nander angeordnet sind.
4. Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher die thermische Anbindung von wenigstens einer Dickschicht-Leiterbahn (11,13,16) an den Kühlkörper durch eine großflächige Isolationsschicht (12,40) vermittelt wird.
5. Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher der wenigstens eine Schaltungsträger (10a,10c) eine dielektrische Schicht (12) aus einem elek trisch isolierenden Kunststoff umfasst.
6. Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der wenigstens eine Schaltungsträger (10a,10b,
10c) durch einen metallischen Leadframe gebildet ist.
7. Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher der wenigstens eine Halbleiterchip (21,22) auf einer ersten Oberfläche mit einem ersten Schal tungsträger (10a) flächig verbunden ist und auf einer zweiten Oberfläche mit einem zweiten Schaltungsträger oder einem me tallischen Blech (10b) flächig verbunden ist.
8. Elektronik-Baugruppe (1) nach Anspruch 7, bei welcher der Abstand (d) zwischen dem ersten Schaltungsträger (10a) und dem zweiten Schaltungsträger oder dem metallischen Blech (10b) wenigstens 5 pm beträgt.
9. Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei welcher der Zwischenraum zwischen dem ersten Schal tungsträger (10a) und dem zweiten Schaltungsträger oder dem metallischen Blech (10b) und gegebenenfalls auch der Zwi schenraum zwischen diesem und einem optionalen dritten Schal tungsträger (10c) mit einem elektrisch isolierenden Füllstoff aufgefüllt ist.
10. Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher wenigstens ein innenliegender Schal tungsträger (10b) auf jeder seiner beiden Hauptflächen mit einem oder mehreren zugehörigen Halbleiterchips (21,22) flä chig verbunden ist, so dass sich ein sandwichartiger Aufbau ergibt.
11. Elektronik-Baugruppe (1) nach Anspruch 10, bei welcher sich der wenigstens eine innenliegende Schaltungsträger (10b) in Richtung des ersten Randbereichs (RI) der Elektronik- Baugruppe (1) in seinem Querschnitt verdickt.
12. Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Kühlkörper in wenigstens zwei me chanisch getrennte Teilelemente (31a,31b) aufgeteilt ist.
13. Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein Zwischenraum zwischen dem Kühlkör per (30) und der wenigstens einen Dickschicht-Leiterbahn (11,13,16) mit einem Füllstoff aufgefüllt ist.
14. Vorrichtung mit einem Grundträger (100) und wenigstens einer Elektronik-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei durch den Grundträger (100) eine Einbauebene (G) de finiert ist, von der ein Teilbereich als Einbauplatz (110) für die Elektronik-Baugruppe (1) ausgebildet ist,
- wobei die Elektronik-Baugruppe (1) derart von dem Grundträ ger (100) absteht, dass die Hauptebene (P) der Elektronik- Baugruppe (1) einen Winkel von wenigstens 30°, insbesondere etwa 90°, zur Einbauebene (G) des Grundträgers ausbildet.
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