WO2016050451A1 - Leistungsmodul - Google Patents

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Stefan Kiefl
Kai Kriegel
Karl Weidner
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Definitions

  • Power module The invention relates to a power module
  • Power modules typically include discrete components mounted on circuit boards. With printed circuit boards can be achieved by a multi-layered construction very compact structures. The cooling of such discrete components or printed circuit boards, however, is regularly difficult.
  • the power module according to the invention comprises at least one formed with a ceramic substrate and a thermally-connected to the sub ⁇ strat circuit board with a power component.
  • the dung OF INVENTION ⁇ proper power module comprises a formed ceramic sub strate having a high thermal conductivity which exceeds the thermal conductivity ⁇ conventional printed circuit board material significantly. Consequently, according to the invention, a cooling of the Component over the ceramic substrate formed easily mög ⁇ Lich.
  • the printed circuit board is preferably connected to the substrate in a planar manner.
  • the power component is arranged on a ⁇ remote from the substrate side of the circuit board or inside the circuit board.
  • an entire surface can He ⁇ stretching of the power module, in particular at least the entire areal extent of the power module to the possibly remote from the power device side, use for cooling.
  • a heat sink preferably flat, be thermally coupled.
  • the circuit board has a flat part with ei ⁇ ner height of at most 3 millimeters, suitably at most 1.5 millimeters, in particular at most one millimeter, on.
  • the overall height is dimensioned perpendicular to flat sides of the flat part or perpendicular to its planar directions of extension.
  • the circuit board is such a flat part. In this way can the entire areal extent of the power device for cooling nut ⁇ zen, while perpendicular to the planar extension remains only a very short thermal path. Thus ei ⁇ ne high heat spread is achieved beneficial.
  • the circuit board is a multilayer printed circuit board.
  • the substrate is advantageously formed with or made of aluminum nitride and / or silicon nitride.
  • Aluminum nitride and silicon nitride each have a sufficient for a connection of the heat sink to the circuit board thermal conductivity.
  • the thermal conductivity is thus significantly higher than those of typical Leiterplattenma ⁇ terialien. Consequently, the cooling effect is particularly high in this embodiment of the invention.
  • the power module according to the invention comprises at least two substrates formed with ceramic, to which the circuit board is connected in each case with sides facing away from each other. In this embodiment of the invention, the cooling effect is particularly high.
  • the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing.
  • the single Zige Drawing Figure 1 shows an inventive power module ⁇ schematically in cross section.
  • the proportions of the representation acc. Fig. 1 is widened in height by a factor of 15, i. a compression of the Fig. 1 in the height direction (i.e., perpendicular to the writing direction of
  • the power module shown in Fig. 1 comprises a
  • Ceramic substrate 10 in the form of a flat part with two flat sides 30 and 40.
  • the ceramic substrate 10 is formed of aluminum nitride.
  • the ceramic substrate 10 may be formed of or with silicon nitride and / or with other materials. The thickness of the
  • Ceramic substrate 10 perpendicular to the directions of extension of the flat sides 30, 40 is 300 micrometers in the illustrated embodiment. In the directions of the planar extension of the flat sides 30 and 40, the ceramic substrate 10 is engages into a frame 20 from Lei ⁇ terplattenmaterial.
  • a first flat side 30 of the ceramic substrate is by means of egg ⁇ ner, in directions perpendicular to the flat extent of the flat sides 30, 40 of the ceramic substrate 10, 300 microns thick DCB layer of copper 50 (DCB: "direct copper bonded") over the entire surface of a metallic heat sink 60 of about one millimeter thickness thermally conductively connected (in the context of this description, the direction of thicknesses is always perpendicular to the flat extent of the flat sides 30, 40 of the ceramic substrate 10 oriented, unless stated otherwise ⁇ give).
  • DCB direct copper bonded
  • the the first flat side 30 facing away from second flat side 40 of the ceramic substrate 10 carries DCB-tailed components 80 in the form of bare die chips, ie to the second flat side 40 of the ceramic substrate 10
  • DCB-tailed copper ⁇ layer 70 having a thickness of 300 microns carries each unhembed integrated electronic components 80 with a thickness of 70 microns.
  • these components 80 is power components with correspondingly high varnishent ⁇ development. Due to the small thickness of 300 micrometers of the copper layer 70, as well as the small thickness of the
  • Ceramic substrate 10 connects to the heat sink 60, results in a particularly high heat spread and, correspondingly, a particularly ⁇ efficient heat dissipation.
  • Ceramic substrate 10 is laminated with insulating film 90 having a thickness of 100 microns.
  • the insulating film 90 has recesses in contact areas of the components 80. At these contact areas, the surface of the components 80 facing away from the ceramic substrate 10 is not covered with insulating film 90.
  • An electroplated copper layer 100 is plated with 30 Mik ⁇ rometern thickness of copper on the insulating film 90 and in the recesses of the insulating film ⁇ 90th
  • the galvanized Copper layer 100 forms electrical cables and electrical ⁇ specific contacts for contacting the components 80th
  • the frame 20 is incorporated together with the ceramic substrate, the DCB layer 70 with the DCB-bonded devices 80, the insulating film 90, and the plated copper layer 100 in a circuit board prepreg 110 having a lower mechanical hardness than that of FR-4.
  • This printed circuit prepreg 110 forms a layer 500 microns thick.
  • the PCB prepreg 110 includes the remote-plating ⁇ th copper layer 100 from a prepreg surface.
  • the prepreg surface is in a conventional manner area ⁇ coated with solder mask 120.
  • solder mask 120 By the printed ⁇ th prepreg 110,130 extending in thickness direction of copper plated-through holes for electrical contacting of the electroplated copper layer 100 to the prepreg surface therethrough.
  • the exposed portions of the prepreg surface remote from the plated copper layer 100 and the exposed surface of the solder resist 120 form a printed circuit board surface 140.
  • the DCB-bonded copper layer 70, the DCB-bonded devices 80, the insulating film 90, the plated copper layer 100, the printed circuit board prepreg 110, and the solder resist 90 located above the ceramic layer form a multilayer printed circuit board L.
  • Printed circuit board L on both sides in each case flat (ie along ei ⁇ ner plane perpendicular to the thickness direction as defined above) connected to a ceramic substrate, wherein one or each of the Ceramic substrate is connected over the entire surface of a respective heat sink. In this way, the cooling effect is particularly large.

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Abstract

Das Leistungsmodul umfasst zumindest ein mit Keramik gebildetes Substrat sowie eine thermisch an das Substrat angebundene Leiterplatte mit einem Leistungsbauteil.

Description

Beschreibung
Leistungsmodul Die Erfindung betrifft ein Leistungsmodul
Leistungsmodule umfassen typischerweise diskrete Bauelemente, die auf Leiterplatten aufgebracht sind. Mit Leiterplatten lassen sich durch einen mehrlagigen Aufbau sehr kompakte Aufbauten erreichen. Die Kühlung von solchen diskreten Bauelementen oder Leiterplatten gestaltet sich allerdings regelmäßig schwierig. Vor diesem Hintergrund des Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein demgegenüber verbessertes Leistungsmodul zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Leistungsmodul zu schaffen, welches eine verbesserte Kühlung zumindest eines Teils des Leistungsmoduls, insbesondere eines Leistungsbauteils des Leistungsmoduls, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einem Leistungsmodul mit den in An¬ spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbil¬ dungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Das erfindungsgemäße Leistungsmodul umfasst zumindest ein mit Keramik gebildetes Substrat sowie eine thermisch an das Sub¬ strat angebundene Leiterplatte mit einem Leistungsbauteil.
Auf diese Weise weist das erfindungsgemäße Leistungsmodul zum einen die Vorteile der Leiterplattentechnologie mit entspre¬ chend raumsparendem Aufbau auf. Ferner umfasst das erfin¬ dungsgemäße Leistungsmodul ein mit Keramik gebildetes Sub- strat mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, welche die Wärme¬ leitfähigkeit konventionellen Leiterplattenmaterials deutlich übertrifft. Folglich ist erfindungsgemäß eine Kühlung des Bauteils über das mit Keramik gebildete Substrat leicht mög¬ lich.
Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul die Leiterplatte flächig an das Substrat angebunden. Zweckmäßig ist das Leistungsbauteil an einer vom Substrat abgewandten Seite der Leiterplatte oder innerhalb der Leiterplatte ange¬ ordnet. Auf diese Weise lässt sich eine gesamte flächige Er¬ streckung des Leistungsmoduls, insbesondere zumindest die ge- samte flächige Erstreckung des Leistungsmoduls an der ggf. dem Leistungsbauteil abgewandten Seite, zur Kühlung nutzen. Besonders vorteilhaft kann an einer solchen Seite ein Kühlkörper, vorzugsweise flächig, thermisch angekoppelt sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Leistungsmoduls weist die Leiterplatte ein Flachteil mit ei¬ ner Bauhöhe von höchstens 3 Millimetern, zweckmäßig höchstens 1,5 Millimetern, insbesondere höchstens einem Millimeter, auf. Geeigneterweise ist die Bauhöhe senkrecht zu Flachseiten des Flachteils oder senkrecht zu dessen flächigen Erstre- ckungsrichtungen bemessen. Zweckmäßig ist die Leiterplatte ein solches Flachteil. Auf diese Weise lässt sich die gesamte flächige Erstreckung des Leistungsbauteils zur Kühlung nut¬ zen, während senkrecht zur flächigen Erstreckung nur ein sehr kurzer thermischer Pfad verbleibt. Somit wird vorteilhaft ei¬ ne hohe Wärmespreizung erreicht.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul die Leiterplatte eine mehrlagige Leiterplatte.
Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Leistungsmodul das Substrat mit oder aus Aluminiumnitrid und/oder Siliziumnitrid gebildet. Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid weisen jeweils eine für eine Anbindung des Kühlkörpers an die Leiterplatte hinreichende Wärmeleitfähigkeit auf. Die Wärmeleitfähigkeit ist somit deutlich höher als jene typischer Leiterplattenma¬ terialien. Folglich ist die Kühlwirkung in dieser Weiterbildung der Erfindung besonders hoch. In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Leistungsmodul zumindest zwei mit Keramik gebildete Substrate, an welchen die Leiterplatte jeweils mit einander abgewandten Seiten angebunden ist. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlwirkung besonders hoch.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die ein- zige Zeichnungsfigur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Leistungs¬ modul schematisch im Querschnitt.
Die Proportionen der Darstellung gem. Fig. 1 sind in der Höhe um einen Faktor 15 aufgeweitet, d.h. eine Stauchung der Fig. 1 in Höhenrichtung (d.h. senkrecht zur Schreibrichtung der
Beschriftung der Fig. 1) auf ein Fünfzehntel der dargestellten Abmessung lieferte realitätstreue Proportionen.
Das in Fig. 1 dargestellte Leistungsmodul umfasst ein
Keramiksubstrat 10 in der Gestalt eines Flachteils mit zwei Flachseiten 30 und 40. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Keramiksubstrat 10 aus Aluminiumnitrid gebildet. In wei¬ teren, nicht eigens gezeigten Ausführungsbeispielen kann das Keramiksubstrat 10 aus oder mit Siliziumnitrid und/oder mit weiteren Materialien gebildet sein. Die Dicke des
Keramiksubstrats 10 senkrecht zu den Erstreckungsrichtungen der Flachseiten 30, 40 beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 300 Mikrometer. In Richtungen der flächigen Erstreckung der Flachseiten 30 und 40 ist das Keramiksubstrat 10 in einen Rahmen 20 aus Lei¬ terplattenmaterial einfasst. Das Leiterplattenmaterial ist im dargestellten Ausführungsbeispiel FR-4, also ein mit Epoxid¬ harz und Glasfasergewebe gefertigter Verbundwerkstoff.
Eine erste Flachseite 30 des Keramiksubstrats ist mittels ei¬ ner, in Richtungen senkrecht zu der flächigen Erstreckung der Flachseiten 30, 40 des Keramiksubstrats 10, 300 Mikrometer dicken DCB-Schicht aus Kupfer 50 (DCB: „direct-copper- bonded") vollflächig an einen metallischen Kühlkörper 60 von etwa einem Millimeter Dicke thermisch leitend angebunden (im Rahmen dieser Beschreibung ist die Richtung von Dicken stets senkrecht zu der flächigen Erstreckung der Flachseiten 30, 40 des Keramiksubstrats 10 orientiert, soweit nicht anders ange¬ geben) .
Die der ersten Flachseite 30 abgewandte, zweite Flachseite 40 des Keramiksubstrats 10 trägt DCB-angebundene Bauelemente 80 in der Gestalt von Bare-Die-Chips , d.h. eine an die zweite Flachseite 40 des Keramiksubstrats 10 DCB-angebundene Kupfer¬ schicht 70 mit einer Dicke von 300 Mikrometern trägt jeweils ungehauste integrierte elektronische Bauelemente 80 mit einer Dicke von 70 Mikrometern. Bei diesen Bauelementen 80 handelt es sich um Leistungsbauteile mit entsprechend hoher Wärmeent¬ wicklung. Aufgrund der geringen Dicke von 300 Mikrometern der Kupferschicht 70, sowie der geringen Dicke des
Keramiksubstrats 10 von 300 Mikrometern und der geringen Di- cke der Kupferschicht 50 von 300 Mikrometern, welche das
Keramiksubstrat 10 an den Kühlkörper 60 anbindet, ergibt sich eine besonders hohe Wärmespreizung und entsprechend eine be¬ sonders effiziente Wärmeabfuhr. Die mittels der Bauelemente 80, der DCB-angebundenen Kupferschicht 70 sowie der zweiten Flachseite 40 des
Keramiksubstrats 10 gebildete Oberfläche ist mit Isolierfolie 90 mit einer Dicke von 100 Mikrometern laminiert. Die Isolierfolie 90 weist in Kontaktbereichen der Bauelemente 80 Aussparungen auf. An diesen Kontaktbereichen ist die dem Keramiksubstrat 10 abgewandte Oberfläche der Bauelemente 80 nicht mit Isolierfolie 90 bedeckt. Auf die Isolierfolie 90 und in die Aussparungen der Isolier¬ folie 90 ist eine galvanisierte Kupferschicht 100 mit 30 Mik¬ rometern Dicke aus Kupfer galvanisiert. Die galvanisierte Kupferschicht 100 bildet elektrische Leitungen sowie elektri¬ sche Kontakte zur Kontaktierung der Bauelemente 80.
Der Rahmen 20 ist zusammen mit dem Keramiksubstrat, der DCB- Schicht 70 mit den DCB-angebundenen Bauelementen 80, der Isolierfolie 90 sowie der galvanisierten Kupferschicht 100 in ein Leiterplatten-Prepreg 110 mit geringerer mechanischer Härte als jene von FR-4 eingebracht. Dieser Leiterplatten- Prepreg 110 bildet eine Schicht mit 500 Mikrometern Dicke. Der Leiterplatten-Prepreg 110 schließt fern der galvanisier¬ ten Kupferschicht 100 mit einer Prepreg-Oberflache ab. Die Prepreg-Oberflache ist in an sich bekannter Weise bereichs¬ weise mit Lötstopplack 120 beschichtet. Durch den Leiterplat¬ ten-Prepreg 110 erstrecken sich in Dickenrichtung Kupfer- Durchkontaktierungen 130 zur elektrischen Kontaktierung der galvanisierten Kupferschicht 100 bis zur Prepreg-Oberflache hindurch. Die freiliegenden Bereiche der Prepreg-Oberflache fern der galvanisierten Kupferschicht 100 und die freiliegende Oberfläche des Lötstopplacks 120 bilden eine Leiterplat- tenoberfläche 140 aus.
Zusammenwirkend bilden die in Fig. 1 oberhalb der keramischen Schicht befindliche DCB-angebundene Kupferschicht 70, die DCB-angebundenen Bauelemente 80, die Isolierfolie 90, die galvanisierte Kupferschicht 100, der Leiterplatten-Prepreg 110 und der Lötstopplack 90 eine mehrlagige Leiterplatte L aus .
An Bereichen der Leiterplattenoberfläche 140, welche nicht mit Lötstopplack beschichtet sind, sind Lastanschlüsse 150 sowie SMD-Bauteile (SMD = „surface-mounted device") 160 ange¬ lötet .
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht, ist die
Leiterplatte L beiderseits jeweils flächig (d.h. entlang ei¬ ner Ebene senkrecht zur Dickenrichtung wie zuvor definiert) an ein Keramiksubstrat angebunden, wobei eines oder jedes der Keramiksubstrate vollflächig an jeweils einen Kühlkörper angebunden ist. Auf diese Weise ist die Kühlwirkung besonders groß .

Claims

Patentansprüche
1. Leistungsmodul umfassend zumindest ein mit Keramik gebil¬ detes Substrat (10) sowie eine thermisch an das Substrat (10) angebundene Leiterplatte mit einem Leistungsbauteil (80).
2. Leistungsmodul nach Anspruch 1, bei welchem die Leiterplatte (L) flächig an das Substrat (10) angebunden ist.
3. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Leistungsbauteil (80) an einer vom Substrat (10) abgewandten Seite der Leiterplatte (L) angeordnet oder innerhalb der Leiterplatte (L) angeordnet ist.
4. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Leiterplatte (L) ein Flachteil mit einer Bau¬ höhe von höchstens 3 Millimetern, vorzugsweise höchstens 1,5 Millimetern, insbesondere höchstens 1 Millimeter, aufweist oder ist.
5. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Leiterplatte (L) eine mehrlagige Leiterplatte (L) ist.
6. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Substrat (10) mit oder aus Aluminiumnitrid und/oder Siliziumnitrid gebildet ist.
7. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen Kühlkörper (60) aufweist, welcher thermisch an das Substrat (10) gekoppelt ist.
8. Leistungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest zwei mit Keramik gebildete Substrate, an welchen die Leiterplatte jeweils mit einander abgewandten Seiten angebunden ist.
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