本発明の基礎をなす課題は、上述の欠点を大幅に回避又は軽減した電子回路を製造することを可能にする方法を提供することにある。本発明の他の課題は、上述の欠点を回避又は軽減した電子回路を提供することにある。
方法に関してこの課題は、請求項1の特徴を有する方法によって解決される。電子回路に関してこの課題は、請求項10の特徴を有する電子回路によって解決される。従属請求項は、本発明の有利な実施形態および発展形態に関する。
本発明による電子回路の製造方法では、第1ステップにおいて、各々少なくとも1つの電子構成要素を個別の絶縁性の部分支持体の上に有する少なくとも2つの電子的な部分回路が作られ、第2ステップにおいて、これらの部分回路が1つの共通な支持体の上に隣接配置され、第3ステップにおいて、これらの部分回路が少なくとも金属層の析出を含む平面接触法にて電気的に接続される。
本発明による電子回路は、少なくとも2つの電子的な部分回路を有し、これらの部分回路が各々1つの個別の絶縁性の部分支持体の上に各々少なくとも1つの電子構成要素を有し、これらの部分回路が1つの共通な支持体の上に隣接配置されていて、かつこれらの部分回路が平面接触要素により電気的に接続されている。しかも、平面接触要素がこれらの部分回路を少なくとも部分的に覆う少なくとも1つの金属層を有する。
絶縁性の部分支持体は、例えば簡単なセラミック基板であってよい。更に、例えばDCB(直接銅ボンディング)基板であってもよい。DCB基板は、典型的には絶縁性のセラミック基板を有し、基板の各面上に形成された2つの銅導体路を備えている。部分支持体上には、例えば抵抗、コンデンサ、ダイオード又はトランジスタのような1つ以上の電子構成要素が存在する。部分支持体は、個別の電子構成要素の他に、それ自体が1つ以上の電子構成要素を含んでいる完全なチップも有し得る。
部分回路は、本発明によれば、1つの共通な支持体上に並べられて、即ち互いに隣接して配置されている。部分回路相互の非常に密な配置は、電子回路の小形化にとって都合のよい配慮である。しかし、反対に、部分回路間のより大きな間隔が、部分回路において発生する損失熱の改善された分布をもたらす。部分回路間の電気接続を配慮する金属層は、銅からなる層であることが好ましい。
本発明による製造方法又は本発明による電子回路は一連の利点を有する。即ち、電子回路全体が小さい部分回路に分割されていて、小さい部分回路が全体として電子回路全体の信頼性の向上をもたらす。何故ならば、部分回路の周期的な熱負荷が、材料疲労を低減するからである。更に、小さい部分回路は、高い動作温度において、大きな全体回路よりも反り曲がりが少ない。これによって、一方では、例えば部分回路が冷却体に接触する場合に放熱の改善が可能である。更に、このような冷却体の表面に対する要求、例えば平坦性に対する要求が軽減される。
更に、部分回路の電気接続に用いられる平坦な金属層が、部分回路間の低誘導性の接続に寄与する。
このような回路の製造方法は有利である。それは、種々の考えられ得る回路可能性の組み合わせによって有用性の最適利用が達成されるからである。更に、部分回路からなる構成は電力分野におけるモジュール化を可能にする。何故ならば、例えば2つ以上の同一の部分回路の並列接続によって、より高い全体出力を有する電子回路を作れるからである。結局、部分支持体の基本形状を理想的に利用することで改善がもたらされる。部分支持体の例として、理想的に使用されるDCB基板が使用可能であり、これに対し共通な支持体としては、例えば単純なセラミック基板のようなより簡単な基板形式が使用できる。
部分回路上に設けられている構成部分の少なくとも一部分がパワー電子装置の構成部分であると非常に有利である。従って、この電子回路はパワー電子回路である。正にパワー電子回路は、通常100℃以上の高い動作温度を有する。電子回路又は製造方法の最初に述べた利点はこの場合に非常によく当てはまる。特に、全体回路に比べて小さい部分回路によって、その動作温度により発生する反りが減少し、それによって放熱が改善される。更に、それによって冷却体の構造に対する要求も軽減される。
本発明の他の有利な実施形態および発展形態においては、平面接触により部分回路内での1つ以上の電気接続も形成される。これは、例えば部分回路内の事前の配線又は他の方法での電気接触が行なわれないままでよいことを意味する。何故ならば、これは平面接触によって形成されるからである。これは、電子回路の製造時における特別な簡単化をもたらし、従ってコストおよび資源の特別な節減をもたらす。この場合に、平面接触により、接続端子又はその他の接続要素への電気接続も形成されるとよい。
本発明の他の有利な実施形態および発展形態では、共通な支持体は冷却体である。かかる冷却体の例は、冷却フィンを備えた銅又は特殊鋼からなるブロックである。これによって、コスト負担のかかる他の絶縁基板の使用が回避できる。更に、冷却体上での部分回路の直接的構成が、部分回路において生じる損失熱の理想的な分布を可能にする。
本発明の特に有利な実施形態では、平面接触の形成のために、先ず共通な支持体とその上にある部分回路の上に電気絶縁のための絶縁膜が形成される。更に、平面接触の一部でありかつ電気接続を行なう金属層が、絶縁膜の上にガルバニック法(ガルバニックコーティング)で形成される。絶縁膜の下にある接触面への電気接続を行なうべく、絶縁膜の形成後に絶縁膜の適切な個所に窓が開放される。更に、ガルバニック法による金属層の形成前に金属開始層を、例えばスパッタリングにより形成することが好ましい。絶縁膜は、金属層と、既に存在する例えばDCB基板における銅を基礎とする層の如き導電層との電気絶縁を可能にする利点を持つ。ガルバニック法による金属層の形成は損傷を起こさない方法であるが、それにも係らず500μm迄の大きな厚みを有する層を発生させ得る。
本発明の他の有利な実施形態においては、金属層の形成後に更に別の電気絶縁層がそれ迄の構造の上に形成される。従って、この別の電気絶縁層は、その金属層と、その下にある絶縁層と、全ての部分回路および共通な支持体とを覆う。
電子回路の2つ以上又は全ての部分回路が同一であるならば有利である。これは非常に効率的な製造をもたらす。何故ならば、部分回路の製造時における不良品は、相応に大きい全体電子回路の製造時における不良品よりも明らかに少なくなるからである。他の利点は回路構成の柔軟性の増大にある。これは、同一の部分回路から、基板接続の変更又は部分回路の個数適合化によって、適合化された又は変更された電子回路が製造できるおかげである。例えば、単相の回路から、対応する使用される複数の部分回路の並置によって、多相の同じような回路を作ることができる。他の例として、これら部分回路の電気接続の変更によって、多相回路から単相回路を作ることができる。更に、同じような回路の並列接続によって、より高い出力容量を有する回路を作ることができる。
部分回路が共通な支持体上の保持要素により固定されるとよい。代替的に、部分回路はロウ付け接続、接着接続又はその他の接続により固定されてもよい。パワー半導体構成要素を有する回路の場合、その接続が構成要素の排熱の良好な拡散を可能にすべく高い熱伝導性を有すると有利である。しかし、保持要素の使用は、熱機械的な負担に対して少なからぬ抵抗力があり、共通の支持体に対する改善された熱結合をもたらす利点を有する。
図面に示す実施例に基づいて本発明の利点および詳細を説明する。
図1は、本発明に従って構成される例示的な部分回路10を側面図で示す。部分回路10はDCB基板14からなり、DCB基板14は、下面にパターン化されていない下部銅導体路15を有し、上面にパターン化された上部銅導体路13を有する。上部銅導体路13の上にロウ付け層12により2つの半導体チップ11が取り付けられている。この場合には、例示的に上部銅導体路13が半導体チップ11の下面の電気端子部の電気接続に使用されている。代替的に、上部銅導体路13が電気接続を形成することなく半導体チップ11の損失熱を導き出すためにのみ用いられてもよい。この場合には上部銅導体路13がパターン化されないほうが適切である。
この例は、両半導体チップ11の内の一方にダイオードを含ませ、他方の半導体チップ11にIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を含ませようとするものである。この構成は例示に過ぎず、その他の実施例では遥かに多いおよび/又は複雑な構成を有する半導体チップ11も、個別の電子構成部分が入り混じった半導体チップ11も使用できることは明白である。
本発明による電子回路の例示的な構成可能性を図2に側面図で示す。電子回路は冷却体23を基礎とし、冷却体上に設けられた3つの隣接する部分回路10を有する。冷却体23とその上にある部分回路10は、電気絶縁にも電気接続にも役立つ層構造22によって覆われている。層構造22の詳細を図3に示す。層構造22は誘電体31からなり、この誘電体31上にパターン化された平面銅導体路32が形成されている。誘電体31および平面銅導体路32は、ここでも絶縁被膜33によって覆われている。誘電体31および絶縁被膜33は、プラスチック膜として形成されており、それ故、例えば順々に平面銅導体路32の介在のもとで、部分回路10を伴う冷却体23の上に積層される。
図4によれば、部分回路10が冷却体23上に保持要素44により固定される。この場合に、図4によれば、部分回路10および保持要素44が直接に互いに隣接して配置されているので、部分回路10および保持要素44を覆う層構造22が少しだけ高さの相違を克服しさえすればよい。
次に、モジュール化可能な回路50、60の具体例ならびに部分基板10によるそれらの具現について説明する。図5に3相スイッチ50を概略的に示している。3相スイッチ50は、3つの電気的に独立な単相スイッチ51からなる。各単相スイッチ51は、2つの接続端子58を有する。接続端子58は2つのハーフスイッチモジュール52を介して互いに接続されており、両ハーフスイッチモジュール52が逆直列に接続されている。各ハーフスイッチモジュール52はIGBT57とフリーホイールダイオードとしてのダイオード56との並列回路からなる。
3相スイッチ50は、多くの異なる様式でモジュール化できる。6つの接続端子58を持つ1つの部分基板10から3相スイッチ50を構成できる。更に、6つのダイオード56を有する第2の部分回路10と、6つのIGBT57を有する第3の部分回路10とが使用される。他の可能な方法では、各々1つの単相スイッチ51を実現する3つの部分回路10を使用する。従ってこれら部分回路10の各々は、2つの接続端子58と、2つのダイオード56と、2つのIGBT57とを有する。従って部分回路10へのこのような分割を実行する際には、3相のスイッチ50を実現すべく、3つの同一の部分回路10を使用するとよい。他の基本的な可能性は、接続端子58を部分回路10に組み込まないで、下にある支持体(この場合は冷却体23)の上に形成することにある。
しかし以下においては、3相スイッチ50並びに後述のコンバータ装置60について第3の実施可能性を説明する。第3の実施可能性は6つの部分基板10を使用することにあり、各部分基板10は1つの接続端子58と、1つのダイオード56と、1つのIGBT57とを有する。抵抗、耐圧等の如き所望の電気特性を達成すべく、単独の構成要素の代わりに複数の構成要素の回路も使用できる。例えば単独のダイオード56の代わりに、典型的に同じような特性を持つダイオード56の直列回路も使用できる。IGBT57は、複数のIGBT57の並列回路によって置換してもよい。勿論、回路は異なった性質の構成要素から構成されていてもよい。
図9は、明確化のために、概略的に部分回路10の1つを平面図で示す。図10によれば、部分回路には、1つのダイオード56と1つのIGBT57が相互の電気接続なしに配置されている。ダイオード56は、電気接続のための2つの接続点92を有する。IGBT57はここでも固有の4つの電気接続端子を有する。しかし、図の見易さのため2つの電気接続点92のみを示している。図10によれば、電気接続点92のために4つの接触面91が設けられている。完全な構成では、IGBT57の実際には4つの電気接続端子のために、6つの電気接触面91が必要である。好ましくは、層構造22において誘電体31内に各接触面91について1つの窓が設けられ、該窓を通して平面銅導体路32が接触面91に電気接触する。なお図5乃至9では、誘電体31および絶縁被膜33を、図の見易さのために省略している。
図9の例は、ダイオード56とIGBT57の間で部分回路平面における電気接続を行なわないことを出発点とする。この結果、図9による部分回路10は最高の柔軟性を有する。勿論、完成した回路に、後から必要な電気接続の全てを形成せねばならず、このことが、そこでの銅導体路32の構造を複雑にすることがある。従って、図9の例に対する代替案では、接触面91の2つの対を既に部分回路10において電気接続し、もってダイオード56とIGBT57の並列回路を形成してもよい。この結果、部分回路10の柔軟性が著しく低下するが、多数の部分回路10の後からの配線が簡単になる。
可能な妥協案は接触面91の対の一方のみを接続することにある。これに応じ、更に他方の電気接続点92を各々開放すると、IGBT57又はダイオード56を使用しないという可能性が生ずる。それにも係らず、部分回路10の更なる配線が幾分か簡単になる。
部分回路10上に最初はいかなる電気接続も設けられていないという前提により、3相スイッチ50の図7に示す構成がもたらされる。図7は平面図で冷却体23を示し、この冷却体23の上に部分回路10が形成されている。冷却体23の上には6つの同一の部分回路10が2列に、各列3つずつの部分回路10で配置されている。この配置の2つの部分回路10からなる各行は1つの単相スイッチ51を実現する。図7によれば、1つの単相スイッチ51を実現する部分回路10は、両部分回路10の一方が180°回転された状態で配置されている。この結果、逆直列配線の電気的な実現が簡単になる。
図7による図示の配置にも広い変形可能性が存在する。例えば、部分回路10の内の3つの回転された配置を放棄し、それにも係らず逆直列回路を相応の平面銅導体路32を介して達成できる。2×3マトリックスでの部分回路10の配置も不可欠ではない。これらの部分回路10の間隔もより大きく、又はより小さく選ぶことができる。
ここに挙げた例では、そして後述のコンバータ60の場合にも、部分回路10で電気接続が実現されないことを出発点としている。このことはダイオード56とIGBT57が平面銅導体路32を介して初めて電気的に接触されることを意味し、そのため平面銅導体路32により同時に部分回路10間の電気接続も形成され、それ故部分回路10および3相スイッチ50の電気配線のために唯一のステップしか必要でない点で有利である。各部分回路10の個別の配線が省略できる。従って図7に示す平面銅導体路32は、各部分回路10のダイオード56とIGBT57を各々1つの並列回路として接続し、これら並列回路の2つずつを逆直列に接続して接続端子58に接続するのに役立つ。
この場合、上述の実施形態は単に例として見るべきである。パワー電子スイッチの場合には、通例、チップの下面部が接続されなければならない。これは、通常、DCB基板の上面の銅導体路によって行なわれる。
従って、6つの同一の部分基板10の使用で1つの3相スイッチ50が実現される。
次に、本発明の他の例示的な実施可能性としてコンバータ装置60を説明する。図6に示す如く、コンバータ装置60は入力端子として3つの接続端子58を持つ。これら接続端子58は各々1つの転流リアクトル61に接続されている。各転流リアクトル61は、各々第1のIGBTブリッジ63の1つの相に接続されている。第1のIGBTブリッジ63の2つの出力端子は、中間回路コンデンサ62に接続され、かつそれに対し並列に第2のIGBTブリッジ64の2つの接続端子に接続されている。第2のIGBTブリッジ64から、出力端子としての3つの接続端子58へ向けてタップが引き出されている。
第1および第2のIGBTブリッジ63、64は各々3つのハーフブリッジ67から構成されている。これらハーフブリッジ67は各々2つのハーフスイッチモジュール52から構成されていて、これらハーフスイッチモジュール52は、3相スイッチ50の場合におけると同様に、各々1つのIGBT57と、これに並列に接続された1つのダイオード56とから構成されている。しかし、コンバータ装置60のハーフブリッジ67の場合には、ハーフブリッジ67のハーフスイッチモジュール52が直列に接続され、逆直列には接続されていない。第1のIGBTブリッジ63のハーフブリッジ67の中間タップは個別に転流リアクトル61に導かれているのに対し、第2のIGBTのハーフブリッジ67の中間タップは出力側の接続端子58に導かれている。第1および第2のIGBTブリッジ63、64のハーフブリッジ67の全てが外側において並列に接続されて、そして更に中間回路コンデンサ62に並列に接続されている。
部分回路10と平面銅導体路32を用いてコンバータ装置60をモジュール化した実施形態を図8に概略的に示す。モジュール化された回路は、3相スイッチ50の場合にも使用された部分回路10を12個持つ。付加的に、このモジュール化された回路では、転流リアクトル61を含むリアクトル部分回路81が設けられている。図8によれば、平面銅導体路32は、部分回路10間の相応の配線および部分回路10における電気接続を配慮するものである。3相スイッチ50の場合と同様に、コンバータ装置60のモジュール化のために多数の可能性が存在する。図8に示す可能性はそれらから選んだものである。と言うのは、ハーフスイッチモジュール51を含む部分回路10は、3相スイッチ50にもコンバータ装置60にも使用できるからである。従って、この場合には完全に同一の部分回路10により異なる電気回路を構成でき、コンバータ装置60の場合には、更に若干の付加的な構成要素が必要である。
代替的にコンバータ装置60において、例えば各ハーフブリッジ67に1つの部分回路10を設けてもよい。この部分回路において、4つの構成要素の全て、即ち2つのダイオード56と2つのIGBTを電気接続なしのままにしておけば、これら部分回路は3相スイッチ50にも使用可能となる。しかしこの場合には、3相スイッチ50とコンバータ装置60において、ハーフスイッチモジュール52の直列又は逆直列の配置を実現すべく、この部分回路上では平面銅導体路32により異なった電気配線を行なわねばならない。
コンバータ装置60の場合にも3相スイッチ50の場合にも、モジュール化の他の可能性が存在する。例えばコンバータ装置60の場合、各々1つの転流グループ642、643のために1つの部分回路10を使用できる。これら転流グループ642、643は、ハーフブリッジ67と同様に、機能的に各々1つのダイオード56と1つのIGBT57とからなる故、この例の場合におけるコンバータ装置は部分回路10に影響を及ぼさない。しかし、この電気的な配線、即ち平面銅導体路32について異なる形状が生じる。何故なら、他の電気的接続が必要だからである。スイッチ50の場合には、ハーフスイッチモジュール52の代わりに1つに電流路54を1つの部分回路10によって実現でき、これは、この場合に同様に部分回路10の変更をもたらさないが、銅導体路32のレイアウトの変更をもたらす。
結局、電気回路50、60の部分回路10へのモジュール化のためには、部分回路10の再使用可能性と、これら部分回路10の形と、電子回路の全体形と、必要な平面銅導体路32の複雑性との間において妥協を見いださねばならない。この場合にも、正にパワー電子装置において、改善された熱拡散や、冷却体およびDCB基板への少ない要求に関する特別な利点が効力を発揮する。