WO2017182157A1 - Trägersystem - Google Patents

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WO2017182157A1
WO2017182157A1 PCT/EP2017/053388 EP2017053388W WO2017182157A1 WO 2017182157 A1 WO2017182157 A1 WO 2017182157A1 EP 2017053388 W EP2017053388 W EP 2017053388W WO 2017182157 A1 WO2017182157 A1 WO 2017182157A1
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WO
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substrate
ceramic substrate
multilayer
carrier system
multilayer ceramic
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Application number
PCT/EP2017/053388
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Feichtinger
Franz Rinner
Günter PUDMICH
Werner ROLLETT
Michael WEILGUNI
Original Assignee
Epcos Ag
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Filing date
Publication date
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    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/62—Arrangements for conducting electric current to or from the semiconductor body, e.g. lead-frames, wire-bonds or solder balls
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H01L25/167—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits comprising optoelectronic devices, e.g. LED, photodiodes
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    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10106—Light emitting diode [LED]

Definitions

  • the present invention relates to a support system in ⁇ play, a multi-layer support system for a power module having a matrix of heat sources.
  • the present invention further relates to a process for the preparation of a carrier system.
  • the present invention further relates to the use of a multilayer ceramic substrate for a carrier ⁇ system.
  • Support systems for example for light modules generally have a printed circuit board or a metal core board.
  • Corresponding carrier systems are known, for example, from the documents US 2009/0129079 A1 and US 2008/0151547 A1.
  • a well-known light matrix concept consists of several LED array modules on an IMS (insulated metal substrate) consisting of a 1 mm to 3 mm thick metal layer and a
  • Insulating layer and wiring on a layer on the upper ⁇ surface which are bolted to a heat sink and can be switched on and off via a control unit.
  • Each LED array module requires complicated optics, which makes the system complex and expensive.
  • An object to be achieved is to provide an improved carrier system and a method for producing an improved carrier system and the use of a multilayer ceramic substrate for an improved carrier system.
  • a multilayer carrier system in short carrier system, is specified.
  • the carrier system has at least one multilayer ceramic substrate.
  • the multilayer ceramic substrate is a functional ceramic.
  • the carrier system comprises at least one matrix module of heat-producing semiconducting ⁇ terbaumaschinen, for example light sources, for example LEDs, to.
  • the matrix module has matrix-like heat sources.
  • the at least one Mat ⁇ rixmodul an LED array module.
  • the matrix module preferably consists of a multiplicity of individual elements / semiconductor components.
  • the individual elements themselves can in turn have a multiplicity of subcomponents.
  • the matrix module can have a large number of individual LEDs as semiconductor components.
  • Alterna tively ⁇ to the matrix module may include a plurality of LED arrays as semiconductor components.
  • the matrix module can also be a combination of single LEDs and LED arrays aufwei ⁇ sen.
  • the matrix module can have a plurality of light modules, for example, two, three, four, five or ten light modules.
  • the respective light module preferably comprises mxn ebenprodu ⁇ ornamental semiconductor components, wherein preferably m> 2 and n> 2.
  • the matrix module is a 4 x 8 x 8 matrix light module.
  • the semiconductor components are arranged on the Learn Anlagenkeramiksub ⁇ strat.
  • the semiconductor devices are connected to the matrix module by the multilayer ceramic substrate.
  • the semiconductor devices are mounted on an upper surface of the multilayer ceramic substrate, for example via a thermally conductive material, for example a solder paste or a silver sintering paste (Ag sintered paste).
  • the matrix module or the semiconductor components are via the heat-conducting material. al thermally and electrically connected to the multilayer ceramic substrate.
  • the multilayer ceramic substrate is used for mechanical Stability capitalization and contacting of the matrix module of the particular heat-producing semiconductor devices of the Matrixmo ⁇ duls.
  • the carrier system can have, for example, two, three or more matrix modules. Each matrix module can be arranged on a separate multilayer ceramic substrate. Alternatively, a plurality of matrix modules can also be arranged on a common multilayer ceramic substrate.
  • the carrier system has a further substrate.
  • Vorzugswei ⁇ se the further substrate is formed insulating or semiconducting off.
  • the further substrate has an inert surface.
  • inert is meant in this context that a surface of the further substrate has a high insulation resistance.
  • the high Isolationswi ⁇ resistor protects the surface of the substrate to external influences.
  • the high insulation resistance makes the surface for example insensitive to electrochemical processes such as the deposition of metallic layers on the surface.
  • the high insulation resistance makes the Oberflä ⁇ surface of the substrate further resistant to aggressive medi- s, eg aggressive fluxing agents which are used for example in soldering ⁇ processes.
  • the substrate may comprise a ceramic substrate.
  • the substrate A1N or A10 x for example, Al 2 O 3 have.
  • the substrate may also comprise silicon carbide (Sic) or boron nitride (BN).
  • the substrate may comprise another multilayer ceramic substrate. This is particularly advantageous because in a multilayer ceramic substrate a variety of internal structures (interconnects, ESD structures, vias) can be integrated.
  • the further substrate may, for example, comprise a varistor ceramic.
  • the substrate may be formed as an IMS substrate.
  • the sub ⁇ strat have a metal core printed circuit board (metal core PCP).
  • the substrate serves the mechanical and thermomechanical
  • the multilayer ceramic substrate is arranged on the further substrate, in particular on an upper side of the substrate.
  • a thermally conductive material for example a solder paste or an Ag sintered paste, may be formed between the multilayer ceramic substrate and the further substrate.
  • the heat-conducting Ma ⁇ TERIAL serves for the thermal and electrically conductive connection of substrate and multi-layer ceramic substrate.
  • the further substrate can also be thermally and electrically connected to the multilayer ceramic substrate via a combination of a thermal compound and a soldering paste or Ag sintering paste.
  • BGA ball-grid array contacts may be formed in a ring-shaped manner in an edge region of the multilayer ceramic substrate.
  • Thermal grease may be further in a wider range, for example strats in an inner region or central region of the bottom of the Learn Anlagenkeramiksub- be formed between the multilayer ceramic substrate and the white ⁇ direct substrate.
  • the thermal paste has iso ⁇ -regulating properties.
  • the thermal compound serves only the thermal connection.
  • the matrix module is electrically conductive via the multilayer ceramic substrate and the further substrate with a driver Circuit connected.
  • the driver circuit is used to control the semiconductor components.
  • the construction of the carrier system on the Dahlkeramiksub- strat allows a very compact design and the Integra ⁇ tion of electronic components directly into the ceramic.
  • the substrate increases the robustness of the system and allows additional rewiring. This provides a compact, highly adaptive and durable carrier system.
  • the multilayer carrier system is designed to drive the semiconductor components of the matrix module individually.
  • the multilayer ceramic substrate has an integrated multilayer single-wiring for the individual control of the semiconductor components.
  • integrated means in this context that the multilayer individual wiring is formed in an inner portion of the multilayer ceramic substrate.
  • the other substrate serves as a further redistribution layer for the individual control of the semiconductor devices.
  • the multilayer ceramic structure, the individual control of the semi ⁇ conductor devices is made possible in a confined space. This a very compact carrier system is provided.
  • the driver circuit preferably has an overtemperature protection function and / or an overcurrent or overvoltage protection function.
  • the driver circuit can (negative Temperature Coefficient) thermistor having, for example, a NTC for protection against high temperature ⁇ structures.
  • the driver circuit may have a PCT (positive temperature coefficient) thermistor for protection against overcurrent.
  • the driver circuit is preferably directly mounted on a top surface of the substrate ⁇ , for example, the top of the sub ⁇ strats.
  • the substrate serves as a driver substrate in this case.
  • the driver circuit is preferably connected directly to conductor tracks, eg copper lines, on the surface of the substrate. These interconnects are directly connected to the individual wiring integrated in the multilayer ceramic substrate.
  • the carrier system has a
  • the printed circuit board substrate surrounding the at least partially ⁇ .
  • the substrate is preferably arranged in an off ⁇ saving the circuit board.
  • the recess through ⁇ penetrates the circuit board completely.
  • the driver circuit is constructed directly on a surface of the printed circuit board.
  • Driver circuit is preferably connected directly to tracks on the surface of the circuit board.
  • the printed conductors on the printed circuit board are either connected directly to the single interconnection integrated in the multilayer ceramic substrate or they are connected to printed conductors on the substrate, for example via a plug contact.
  • the Dahl Anlagena ⁇ miksubstrat to a varistor ceramic the multilayer ceramic substrate predominantly comprises ZnO.
  • the multi-layer ceramic substrate ⁇ bismuth, antimony, Praseo ⁇ dym, yttrium and / or calcium and / or other dopants may further comprise.
  • the multilayer ceramic substrate may include strontium titanate (SrTiOs) or silicon carbide (SiC).
  • the varistor ceramic allows overvoltage protection to be integrated into the carrier system. Compact dimensions are combined with optimum protection for electronic structures.
  • the multilayer ceramic substrate has a multiplicity of internal electrodes and via contacts. The internal electrodes are arranged between varistor layers of the multilayer ceramic substrate.
  • the In ⁇ nenelektroden have Ag and / or Pd on.
  • the internal electric ⁇ the are electrically connected to the vias.
  • the varistor allowed in addition to the integration of the overvoltage protection function, the integration of a temperature sensor or a Temperaturschut ⁇ zes. For a very adaptive and durable Anlagensys ⁇ tem is provided.
  • the Dahl Schweizera ⁇ miksubstrat a thermal conductivity of greater than or equal to 22 W / mK.
  • the thermal conductivity is interpreting ⁇ Lich higher than the thermal conductivity known Trä ⁇ gersubstrate, such as an IMS substrate having a thermal conductivity of 5-8 W / mK.
  • Trä ⁇ gersubstrate such as an IMS substrate having a thermal conductivity of 5-8 W / mK.
  • the carrier system has a heat sink.
  • the heat sink is used to dissipate heat from the carrier system.
  • the heat sink is preferably thermally connected to the further substrate.
  • Zvi ⁇ rule the heat sink and the substrate is a thermally conductive ma- terial, preferably a thermal paste, formed.
  • the Wär ⁇ conducting compound is used for electrical insulation of the cooling body and a further substrate.
  • the heat sink may comprise, for example, aluminum casting material.
  • a corresponding heat sink has a high thermal expansion coefficient.
  • the expansion coefficient of the cooling body is 18 to 23 ppm / K.
  • the coefficient of expansion of the Dahl slaughterkeramiksub- strats is in the range of 6 ppm / K.
  • the coefficient of expan ⁇ coefficient of the further substrate is in the range of 4 to 9 ppm / K, for example at 6 ppm / K.
  • the expansion coefficients of multilayer ceramic substrate and further substrate are preferably well matched. Between the multi ⁇ multilayer ceramic substrate and the additional substrate may be (for example, soldering or in driving the semiconductor devices) come to thermal stresses during thermal cycling.
  • the heat sink can also have aluminum silicon carbide in an alternative embodiment.
  • the heat sink may comprise a copper-tungsten alloy or a copper-molybdenum alloy.
  • the heat sink may in particular comprise molybdenum which is built up on copper.
  • Aluminum silicon carbide, copper tungsten and copper molybdenum have the advantage that these materials have a similar thermal expansion coefficient as the multilayer ceramic substrate or like the other substrate.
  • a corresponding heat sink has a thermal expansion coefficient of about 7 ppm / K.
  • thermal stresses between the multi-layer ceramic substrate / white ⁇ terem substrate and heat sink can be reduced or avoided.
  • the use of the thermal compound can therefore also be dispensed with or a layer thickness of the thermal compound can be lower than in the exemplary embodiment with the heat sink made of cast aluminum material.
  • a substrate in particular the substrate described above, is provided.
  • the substrate may comprise a ceramic substrate.
  • the substrate may have a me ⁇ tallisches substrate.
  • conductor tracks are formed on a surface of the substrate.
  • a multi ⁇ multilayer ceramic substrate in particular the above-described Multilayer ceramic substrate with conductor tracks / internal electrodes, at least one ESD structure and plated-through holes, is arranged on the substrate.
  • a thermally conductive material for example a solder paste or an Ag sintered paste, is arranged beforehand on the upper side of the substrate and / or on the underside of the multilayer ceramic substrate.
  • At least one matrix module of heat-producing semiconductor components is arranged on an upper side of the multilayer ceramic substrate.
  • Vorzugswei ⁇ se is previously a heat-conducting material such as a solder paste or an Ag sintered paste disposed on the top of the multilayer ceramic substrate.
  • the Halbleiterelemen ⁇ te be connected rixmodul on the multilayer ceramic substrate to the Mat-.
  • the matrix module is sintered with the multi ⁇ multilayer ceramic substrate, for example by Ag sintering, for example, YAG sintering.
  • a circuit board is provided.
  • the circuit board has a recess which completely penetrates the circuit board.
  • the substrate is at least partially introduced into the recess.
  • the circuit board is arranged around the substrate.
  • the printed circuit board is electrically conductively connected to the substrate, for example via a plug contact or a bonding wire.
  • driver components are provided.
  • the driving components are in an off ⁇ operation example on the substrate, in particular an upper ⁇ surface of the substrate, arranged for controlling the semiconductor Components over the interconnects and vias of the multilayer ceramic substrate.
  • the off ⁇ guide for the circuit board the Treiberbau ⁇ elements on the circuit board, in particular a surface of the circuit board are formed.
  • the substrate is thermally connected to a cooling ⁇ body.
  • heat-conductive material is disposed at a lower ⁇ side of the substrate.
  • the thermally conductive material has vorzuweise on an electrically insulating thermal compound.
  • arranging the heat-conducting material can also be dispensed with in a corresponding embodiment of the heat sink (aluminum-silicon carbide, copper-tungsten or copper-molybdenum heat sink).
  • the carrier system has at least one matrix light module with punctual single drive of a large number of LEDs. So that the environment can very differentiated lit ⁇ be shown or hidden.
  • the structure of a multilayer varistor with high thermal conductivity ⁇ he laubt a very compact design and the integration of ESD protection components in the ceramic. This provides a compact and highly adaptive carrier system.
  • a use of a multi-layer ⁇ -carrier system is described. All the features described in connection with the carrier system and the method of manufacturing the carrier system are also used for the application and vice versa.
  • the carrier system is used for example in a matrix LED headlights in the automotive sector.
  • the carrier system can also be used in the medical field, for example with the use of UV LEDs.
  • the carrier system can be used for power electronics applications.
  • the carrier system described above is very adaptive and can therefore be used in a variety of systems.
  • the use of a multilayer ceramic substrate is described.
  • the multilayer ceramic substrate preferably corresponds to the multilayer ceramic substrate described above.
  • the multilayer ceramic substrate preferably has a varistor ceramic or a multilayer varistor.
  • the multilayer ceramic substrate preferably has an integrated multilayer single-wiring for the individual control of heat-producing semiconductor components.
  • the heat-producing semiconductor devices Kgs ⁇ NEN light sources such as LEDs have.
  • the heat-producing semiconductor components preferably have an LED matrix module.
  • the multilayer ceramic substrate is preferably used in the above-described carrier system.
  • the multilayer ceramic substrate is preferably used for the automotive, medical and / or power electronics applications described above.
  • FIG. 1 shows a plan view of a multilayer carrier system according to an exemplary embodiment
  • Figure la is a plan view of a heat producing half ⁇ semiconductor component
  • Figure lb is a plan view of the heat-producing semiconducting ⁇ terbauelement in FIG lb
  • Figure lc for example a top view of a heat producing half ⁇ semiconductor device according to a further execution
  • FIG. 2 is a sectional view of a multilayer carrier system according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 is a sectional view of a multilayer carrier system according to the exemplary embodiment from FIG. 1,
  • FIG. 4 is a sectional view of a multilayer carrier system according to an exemplary embodiment
  • Figure 5 shows the representation of an internal wiring for the
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of an internal wiring of a multilayer carrier system
  • Figure 8 is a sectional view of a multi-layer support system according to another stipulate ⁇ play
  • Figure 9 is a sectional view of a multi-layer support system according to another stipulate ⁇ play,
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of a driver concept for a multilayer carrier system.
  • Figures 1 and 3 shows a plan view and a
  • the multilayer carrier system 10 briefly carrier system 10, has a heat source 1.
  • the Trä ⁇ gersystem 10 may also have a plurality of heat sources, for example two, three or more heat sources 1.
  • the respective heat source 1 preferably has a multiplicity of heat-generating semiconductor components 1a, 1b.
  • the heat source 1 may have two, three, 10 or more, preferably a plurality of individual LEDs la.
  • the figure la shows a plan view of an upper side of a single LED la.
  • the figure lb shows a plan view of the underside of the single LED la with p-terminal area IIa and n-terminal area IIb.
  • the heat source 1 can lb but also an LED array or more ⁇ re LED arrays have lb (see Figure lc). Is preferred the heat source as LED matrix module 7 with a plurality of LEDs la and / or LED arrays lb formed. For example, the heat source to a 4x8x8 matrix LED module with IMP EXP ⁇ including 256 LEDs.
  • the carrier system 10 is a multi-LED carrier system.
  • the carrier system 10 has a multilayer ceramic substrate 2.
  • the multi-layer ceramic substrate 2 serves as Shinsub ⁇ strat for the heat source 1.
  • the multilayer ceramic substrate 2 is further configured to electrically contact the heat source 1 and in particular the individual LEDs, as will be described in detail later.
  • the heat source 1 is arranged on the multilayer ceramic substrate 2, in particular an upper side of the multilayer ceramic substrate 2.
  • a heat-conducting material 6a (FIG. 3), preferably a solder paste or an Ag sintered paste, is formed between the heat source 1 and the upper side of the multilayer ceramic substrate 2.
  • the thermally conductive mate ⁇ rial 6a has a material with a high thermal conductivity ⁇ ability.
  • the heat-conducting material 6a further serves to electrically contact the multilayer ceramic substrate 2.
  • the multilayer ceramic substrate 2 also has a high thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of the multilayer ceramic substrate 2 is 22 W / mK. Due to the high thermal conductivity of heat-conducting material 6 and tendem multilayer ceramic substrate 2, the heat generated from the heat source 1 can be effectively transmitted, and - for example, via a heat sink 4 - derived from the Trä ⁇ gersystem 10th
  • the multilayer ceramic substrate 2 is preferably a multilayer varistor.
  • a varistor is a non-linear device whose resistance drops sharply when a certain applied voltage is exceeded. A varistor is therefore suitable for dissipating overvoltage pulses harmlessly.
  • the multilayer ceramic substrate 2 and in particular the varistor layers preferably comprise zinc oxide (ZnO), in particular polycrystalline zinc oxide.
  • ZnO zinc oxide
  • the varistor layers consist Minim ⁇ least 90% of ZnO.
  • the material of the varistor layers may be doped with bismuth, praseodymium, yttrium, calcium and / or antimony or other additives or dopants.
  • the varistor layers may also comprise, for example, silicon carbide or strontium titanate.
  • the multilayer ceramic substrate 2 has a thickness or verti ⁇ cal extent of 200 to 500 ym.
  • the multilayer ceramic substrate 2 has a thickness of 300 ym or 400 ym.
  • a metallization on an upper side and a lower side of the multilayer ceramic substrate 2 is formed (not explicitly shown).
  • the jewei ⁇ celled metallization has a thickness of 1 ym to 15 ym, wherein ⁇ play, 3 to 4 ym ym on.
  • a large thickness of the metallization has the advantage of absorbing the heat from the LEDs la /
  • LED arrays lb the heat source 1 is generated can also be discharged via the surface of the multilayer ceramic substrate 2 to the environment (lateral heat convection), since the thermal conductivity at the surface is improved.
  • the carrier system 10 has a further, for example ceramic, substrate 3.
  • the substrate 3 serves to improve the mechanical and thermal momechanical robustness of the carrier system 10.
  • the substrate 3 may, for example, A1N or Al 2 O 3 have (ceramic substrate).
  • the substrate 3 may comprise a further multilayer ceramic substrate, in particular a further varistor ceramic with a different material.
  • an IMS insulated metal substrate
  • a metal core PCB can be used as an IMS (insulated metal substrate) or a metal core PCB.
  • An IMS is, for example, an insulated metal substrate comprising aluminum or copper.
  • On a surface of the IMS an insulating ceramic, or an insulating polymer layer is formed from ⁇ having copper lines for rewiring for driving the individual LEDs.
  • the substrate 3 has a thickness or vertical extent of 300 ym to 1 mm, for example 500 ym.
  • the substrate 3 In addition to the heat conduction and a rewiring for the LEDs, the substrate 3 also has the purpose of compensating for the different coefficients of expansion of the heat sink 4 and of the multilayer ceramic substrate 2. For a stable and durable carrier system 10 is realized.
  • the substrate 3 is arranged on an underside of the multilayer ceramic substrate 2.
  • the substrate 3 is connected to the multilayer ceramic substrate 2 via a thermally conductive material 6a, for example a solder paste or an Ag sintered paste, as described above.
  • the ebenlei ⁇ tend material 6a has a thickness or vertical extension of between 10 .mu.m and 500 .mu.m, for example 300 ym on.
  • the substrate 3, in particular a lower side of the substrate 3, is connected to the abovementioned heat sink 4, which serves to dissipate the heat generated by the heat source 1 out of the system.
  • the substrate 3 is connected to the cooling body 4 glued or screwed.
  • thermally conductive material 6b in particular an electrically insulating thermal compound, is arranged between the substrate 3 and the heat sink 4.
  • use of the heat-conducting material 6b may also be omitted or less (not explicitly shown) if the heat sink 4 has a coefficient of thermal expansion similar to that of the substrate 3 (heat sink 4 comprising aluminum-silicon carbide, copper-tungsten or copper). Molybdenum).
  • the heat sink 4 in this case molybdenum, which is based on copper.
  • the heat sink 4 has cooling fins 4a. To achieve a good convection, a strong ventilation of the cooling fins 4a must take place. Alternatively or additionally, cooling of the carrier system 10 can also be achieved by means of water cooling.
  • Multilayer ceramic substrate 2 has an integrated, i. located in the interior of the multilayer ceramic substrate 2, single circuit / wiring for the LEDs of the heat source 1 on. In other words, the LEDs can be individually controlled via or with the aid of the multilayer ceramic substrate 2.
  • FIGS. 6 and 7 An example of an internal wiring for a multilayer component 10 according to FIGS. 1 and 3 is shown in FIGS. 6 and 7.
  • Figure 7 the internal
  • the multi-layer ceramic substrate 2 has a plurality of In ⁇ nenelektroden 202 ( Figure 7) formed between the varistor.
  • the inner electrodes 202 are arranged one above the other within the multilayer ceramic substrate 2.
  • the internal electrodes 202 are further suitably electrically separated from each other.
  • the internal electrodes 202 are further stacked and formed to overlap at least partially.
  • the multilayer ceramic substrate 2 has at least one via / via 8, 201 (FIGS. 3 and 7), preferably a plurality of vias 8, 201.
  • a via 8, 201 in this case has a recess in the multilayer ceramic substrate 2, which is filled with an electrically conductive material, in particular a metal.
  • the vias 8, 201 serve to electrically connect the LEDs to a driver circuit, as described in detail later.
  • the vias 8, 201 are electrically connected to the inner ⁇ electrodes 202.
  • the multilayer ceramic substrate 2 also has a contact region 21 for the purpose of producing an electrically conductive contact with the heat source 1 for individual activation of the LEDs.
  • the contact region 21 is formed in a central region of the multilayer ceramic substrate 2 (FIG. 6).
  • the contact area 21 is in this embodiment in four Operabe ⁇ divided rich ( Figure 6) for contacting a Einzelmo ⁇ duls of each 8x8 LEDs.
  • the contact region 21 is provided with top contacts or connection pads 200 for the LEDs (FIG. 7), which are connected to the internal electrodes 202
  • the multi-layer ceramic substrate 2 further includes a contact 25 to establish an electrically conductive connection to the sub ⁇ strat. 3
  • the contact 25 is preferably in egg ⁇ nem edge region of the multi-layer ceramic substrate 2 is formed ( Figure 6).
  • the contact 25 is preferably implemented a BGA contact (Lot ⁇ balls) or by means of wire bonds.
  • the contact 25 serves in addition to the electrical connection as a stress buffer by compensating for thermo-mechanical differences between substrate 3 and multilayer substrate 2.
  • the multi-layer ceramic substrate 2 further includes an inte ⁇ te ESD (Electro Static Discharge) structure 22nd
  • the ESD structure 22 has an ESD electrode surface 220, 220 ⁇ and egg ⁇ ne ground electrode 221.
  • the heat source 1 which is very sensitive to overvoltages, as may be triggered by an ESD pulse, for example, is protected against these current or voltage surges with the aid of the ESD structure 22.
  • the ESD structure 22 is realized in the form of a frame around the central contact region 21 (FIG. 6).
  • the contact 25 is realized in the shape of a frame around the ESD structure 22 (FIG. 6).
  • the multi-layer ceramic substrate 2 may further include an integrating ⁇ th temperature sensor or a temperature above protective function include (not explicitly shown).
  • the varistor ceramic also permits the integration of an overvoltage protection function (ESD, surge pulses) and a temperature overshoot function.
  • ESD overvoltage protection function
  • a compact and very adaptive carrier system 10 can be achieved which satisfies a wide variety of requirements.
  • the carrier system 10 ultimately has a driver circuit (not explicitly shown).
  • the driver circuit may have in ⁇ plementiert protection functions.
  • the driver circuit preferably has over-temperature protection (eg, via an NTC thermistor) and / or over-current or over-current protection (eg, via a PTC thermistor).
  • the driver circuit is reali ⁇ Siert by reflow soldering at the top of the substrate.
  • the driver circuit is connected to metallic interconnects, such as copper lines, on the surface of the substrate 3.
  • the substrate 3 consequently serves as a driver substrate.
  • the substrate 3 serves, in particular, as a further redistribution layer to drive the LEDs individually via the driver circuit.
  • the conductor tracks on the surface of the substrate 3 are electrically conductively connected to the wiring integrated in the multilayer ceramic substrate 2 in order to drive the LEDs individually.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a multilayer carrier system 10 according to another embodiment.
  • the carrier system 10 from FIG. 2 has no further substrate 3. Rather, the multilayer ceramic substrate 2 in this embodiment is directly connected to the heat sink 4 connected. Between the multilayer ceramic substrate 2 and the heat sink 4, a heat-conducting material 6b (electrically insulating thermal paste) may be arranged.
  • the driver circuit is directly play realized on a surface of the multilayer ceramic substrate 2, in ⁇ its underside.
  • FIG. 4 shows a sectional view of a multilayer carrier system 10 according to a further exemplary embodiment. In the following, only the differences from the carrier system according to FIGS. 1 and 3 will be described.
  • the carrier system 10 additionally has a printed circuit board 5.
  • the printed circuit board 5 to surround the substrate 3.
  • the substrate 3 Before ⁇ preferably is completely surrounded at least on the end sides of the printed circuit board. 5
  • the circuit board 5 has a recess 5a, in which the substrate 3 is arranged.
  • the recess 5a Penetrates the circuit board 5 completely.
  • the printed circuit board 5 is electrically conductively connected to the substrate 3 by means of a plug connection 26 or a bonding wire 26.
  • the substrate 3 is thermally connected.
  • thermally conductive material 6b electrically insulating thermal compound
  • the driver circuit is realized directly on a surface of the printed circuit board 5, for example the upper side thereof (not explicitly shown).
  • the sub ⁇ strate 3 is used in addition to the multilayer ceramic substrate 2 as wei ⁇ ter rewiring level to control the LEDs individually via the Trei ⁇ berscnies.
  • the driver circuit may be connected to electrical leads on the surface of the substrate 3.
  • Darge ⁇ represents is the internal wiring of a 4x8x8 light matrix module with individual control of 256 LEDs and integrated ESD protection at the input of a plug contact and at the entrance to the LED module.
  • the multi-layer ceramic substrate 2 has ⁇ rich 21 for producing an electrically conductive contact with the LED matrix to the Kunststoffbe.
  • the contact region 21 is divided into four areas for contacting a central portion A ⁇ zelmoduls of each 8x8 LEDs.
  • the ESD structure 22 is arranged in the form of a frame around the contact region 21.
  • a physical plug contact 24 in an outer edge region of the multilayer ceramic substrate 2 is used to produce an electrically conductive connection to the driver circuit on the printed circuit board 5.
  • the rewiring 23 for individual contacting of the LEDs is formed between the plug contact 24 and the ESD structure 22 (see also FIG. 7).
  • the ESD structure 22 is formed at the input of the plug contact 24 and at the input to the contact region 21.
  • FIG. 8 shows a sectional representation of a multilayer carrier system 10 according to a further exemplary embodiment.
  • the carrier system 10 has a plurality of heat sources 1, 1 ⁇ .
  • FIG. 8 shows two heat sources 1, 1, but a larger number of heat sources, for example three, four or five heat sources, can also be provided.
  • the respective heat source 1, 1 ⁇ has an LED matrix module, wherein the respective module has a different number of LEDs.
  • the heat source 1 ⁇ has a smaller number of LEDs (individual LEDs la and / or
  • the respective heat source 1, 1 ⁇ is arranged on a multilayer ceramic substrate 2, 2 ⁇ .
  • the respective heat source 1, 1 ⁇ provided a separate multi ⁇ multilayer ceramic substrate 2, 2 ⁇ .
  • befin ⁇ det be thermally conductive material 6a, 6a ⁇ (solder paste or Ag sintering paste) between the respective heat source 1, ⁇ 1 and the respective multilayer ceramic substrate 2, ⁇ 2 (not shown expli ⁇ cit).
  • the multilayer ceramic substrate 2, 2 ⁇ is each arranged on a separate heat sink 4, 4 ⁇ . Between the heat sink by 4, 4 ⁇ and the multilayer ceramic substrate 2, ⁇ 2 can How-derrum thermally conductive material 6b, 6b can be ⁇ (electrically isolate ⁇ de thermal grease) is arranged.
  • the power loss of the respective heat source 1, 1 ⁇ can be adjusted individually.
  • the heat loss of differently sized / high-performance heat sources or LED matrix modules 1, 1 ⁇ in the carrier system 10 can be effectively removed by individually adapted cooling systems / cooling bodies 4, 4 ⁇ .
  • the heat sink 4 has larger cooling fins, whereby a stronger cooling performance can be achieved.
  • the complete system of heat sources 1, 1 multi-layer ceramic substrate 2, 2 ⁇ and heat sink 4, 4 ⁇ is arranged on a common carrier 9.
  • the support 9 may be, for example, a purely mechanical support, for example in the form of a printed circuit board, or another, superordinate heat sink.
  • the carrier may comprise an aluminum casting material.
  • the carrier 9 serves for the mechanical stabilization and / or the better cooling of the carrier system 10.
  • FIG. 9 shows a sectional view of a multilayer carrier system 10 according to a further exemplary embodiment.
  • the carrier system 10 has a plurality of heat sources 1, 1 ⁇ , 1 ⁇ ⁇ . In this embodiment, three heat sources are shown, however, the carrier system 10 may also have two heat ⁇ sources, or four heat sources or more heat sources.
  • the respective heat source 1, 1 ⁇ , 1 ⁇ ⁇ has an LED matrix module. All LED matrix modules have this
  • Embodiment preferably the same number of LEDs.
  • the respective heat source 1, 1 ⁇ , 1 ⁇ ⁇ is arranged on a multi-layer ceramic substrate 2, 2 ⁇ , 2 ⁇ ⁇ .
  • a separate multilayer ceramic substrate 2, 2 ⁇ , 2 ⁇ ⁇ is provided for each heat source 1, 1 ⁇ , 1 ⁇ ⁇ .
  • heat conductive material soldder paste or Ag-sintering paste
  • the multilayer ceramic substrate 2, 2 ⁇ , 2 ⁇ ⁇ is in each case arranged on egg ⁇ nem separate substrate 3, 3 ⁇ , 3 ⁇ ⁇ , which ei ⁇ nem for rewiring and on the other as a stress buffer to compensate for the different expansion coefficients of multilayer ceramic substrate 2 and heat sink 4 serves.
  • Fer ⁇ ner, the substrate 3, 3 ⁇ , 3 ⁇ ⁇ also have a high thermal conductivity, as already described in connection with Figures 1 and 3. This applies in particular to a ceramic substrate which has, for example, AlN or Al 2 O 3 .
  • the respective ceramic substrate 3, 3, 3 ⁇ ⁇ is arranged on a common heat sink 4.
  • Heat sources 1 1 1 ⁇ ⁇ therefore have a common cooling system.
  • a common cooling system is particularly advantageous when the heat ⁇ sources 1, 1 ⁇ , 1 ⁇ ⁇ produce a similar heat loss.
  • Distance can be provided by a common cooling system to a greater ⁇ number of cooling fins, as well as areas between the individual LED matrix modules are covered. The cooling capacity can thus be increased.
  • the left curved bracket 302 includes the LED area 1 to 64.
  • the upper curved bracket 302 includes LEDs 65 to 128.
  • the lower curved bracket 302 indicates LEDs 129 to 192.
  • the right curved bracket 32 denotes LEDs 193 to 256. If individual LEDs of the quadrants 301 of the module 7 is controlled ⁇ / turned on, so there is a local temperature ⁇ turerhöhung. Thus, the temperature is raised from room temperature (about 25 ° C) to about 70 ° C to 100 ° C. This heat must be dissipated uniformly.
  • LEDs must therefore be designed so that a uniform heat dissipation and a uniform Strom- cruvertei ⁇ ment takes place.
  • the rewiring over the different levels must be made uniform.
  • each driver 8 can drive LEDs.
  • the LED module 7 produces a high output.
  • the drivers 303 therefore require a power supply. A total of 25.6 A is needed for 256 LEDs (about 100 mA per LED).
  • Converter 304 serve to supply the individual drivers 303.
  • the drivers 303 are controlled via a central microcontroller 305.
  • the microcontroller 305 is connected, for example, to a data bus in a motor vehicle.
  • the microcontroller 1er 305 can be used, for example, with the CAN bus or the ETHERNET
  • the data bus is in turn connected to a central control unit.
  • the multilayer ceramic substrate 2 is provided.
  • the multilayer ceramic substrate 2 preferably corresponds to the multilayer ceramic substrate 2 described above.
  • the multilayer ceramic substrate 2 preferably has a varistor ceramic.
  • first green ceramic foils are produced from the dielectric ceramic components.
  • the ceramic films may have, for example, ZnO and various dopants.
  • the ceramic is preferably such that it can already be sintered below the melting point of the material of the integrated metal structures (internal electrodes, vias, ESD structures) with high quality. During sintering, therefore, a liquid phase is required that already exists at low temperatures. This is ensured, for example, by a liquid phase such as bismuth oxide.
  • the ceramic can therefore be based on bismuth oxide-doped zinc oxide.
  • the inner electrodes 202 are applied to the ceramic foils by coating the green ceramic with a metallization paste in the electrode pattern.
  • the metallization ⁇ approximately paste has, for example, Ag and / or Pd.
  • the ESD structure 202 is applied on the ceramic films.
  • openings for forming the plated-through holes 8, 202 are introduced into the green sheets. The breakthroughs can be generated by punching or lasering the green sheets. The openings are then filled with a metal (preferably before ⁇ Ag and / or Pd).
  • the metallized grü ⁇ nen films are stacked. The green body is then pressed and sintered.
  • the sintering temperature is adjusted to the material of the internal electrodes 202.
  • the sintering temperature is preferably less than 1000 ° C., for example
  • a portion of the surface of the sintered green pile is then metallized.
  • it is Ag, Cu or Pd is printed on the top and bottom of the gesinter ⁇ th green stack. After passing through heating the metal ⁇ ized stack unprotected structures or areas of the stack are sealed. This is printed on the bottom and the top glass or ceramic.
  • the substrate 3 is provided.
  • the substrate 3 preferably corresponds to the substrate 3 described above.
  • the substrate 3 may comprise a ceramic (varistor ceramic, A1 2 0 3 , A1N) or a metal (IMS substrate, metal core printed circuit board).
  • Conductor tracks for example with the o- made of copper, are preferably formed on a top of the sub ⁇ strats. 3
  • the multilayer ceramic substrate 2 is placed on top of the substrate 3.
  • a solder paste or an Ag sintered paste may be applied to the top surface of the substrate 3. By means of reflow soldering takes place, the physical Ver ⁇ bond between the substrate 3 and the Dahlkera ⁇ miksubstrat 2.
  • the support system 10 according to Figure 2 which has no substrate 3, eliminates the step just described.
  • the printed circuit board 5 is provided.
  • the Lei ⁇ terplatte 5 is disposed around the substrate 3 around.
  • the sub strate ⁇ 3, which is attached to the multilayer ceramic substrate 2, ⁇ is introduced into the recess 5a of the circuit board. 5
  • printed circuit board 5 and substrate 3 are connected to one another via a plug connection 26 or a bonding wire 26.
  • the carrier systems 10 according to Figures 1 to 3, which have no circuit board 5 eliminates the process step just described.
  • an LED array module 7 on the upper surface of the multilayer ceramic substrate 2 is attached at least ⁇ arranged.
  • a solder paste or an Ag sintered paste may be applied to the upper surface of the multilayer ceramic substrate 2.
  • Ag by sintering for example, YAG sintering
  • soldering matrix module 7 is fixed verbun with the multi-layer ceramic substrate 2 ⁇ .
  • driver components for the driver scarf ⁇ tion are provided.
  • the driver component on the multi-layer ⁇ ceramic substrate 2, on the substrate 3 or on the circuit board ⁇ 5 are realized.
  • the driver circuit is connected to the multilayer ceramic substrate 2, on the substrate 3 or on the circuit board 5 by reflow soldering.
  • the driver circuit is connected to the inner electrodes 202 and the plated-through holes 8, 201 electrically conductively connected.
  • the heat sink 4 is provided and fixed to the carrier system 10.
  • the heat sink 4 is adhered to the multilayer ceramic substrate 2 or to the substrate 3, for example.
  • the heat sink may comprise an aluminum casting material.
  • a thermal paste is be applied ⁇ on the underside of the substrate 3 or the multi-layer ceramic substrate 2 in a siege vorgela ⁇ step.
  • the carrier system 10 is baked for Verfesti ⁇ supply. Scarcely any temperature differences, so that in this process step thermal Spannun ⁇ gen between the individual components appear to be avoided.
  • the heat sink 4 may also comprise materials having a similar thermal expansion coefficient as the substrate 3 or the Dahlkeramiksub ⁇ strat. 2
  • the heat sink 4 may comprise aluminum-silicon carbide, copper-tungsten or copper-molybdenum.
  • the application of the thermal compound 6b can also be omitted or a thinner layer of the thermal compound 6b can be applied.
  • the resulting carrier system 10 has at least one matrix
  • Light module with punctiform single control of a large number of LEDs This allows the surrounding environment much more differentiated ⁇ illuminate (or dim the light) than in solutions with LED array segments.
  • the construction over a multilayer varistor with high thermal conductivity allows a very compact design, the integration of ESD protection components and the construction of the Driver circuit directly on the ceramic. This results in a compact and very adaptive carrier system 10.

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Abstract

Es wird ein Vielschicht-Trägersystem (10) beschrieben, aufweisend wenigstens ein Vielschichtkeramiksubstrat (2), wenigstens ein Matrixmodul (7) von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen (1a, 1b), wobei die Halbleiterbauelemente (1a, 1b), auf dem Vielschichtkeramiksubstrat (2) angeordnet sind, und ein weiteres Substrat (3), wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) auf dem Substrat (3) angeordnet ist, wobei das Matrixmodul (7) über das Vielschichtkeramiksubstrat (2) und das weitere Substrat (3) elektrisch leitend mit einer Treiberschaltung verbunden ist. Ferner werden ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Trägersystems (10) sowie die Verwendung eines Vielschichtkeramiksubstrats beschrieben.

Description

Beschreibung
Trägersystem Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trägersystem, bei¬ spielsweise ein Vielschicht-Trägersystem für ein Leistungsmodul mit einer Matrix von Wärmequellen. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Trägersystems. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Vielschichtkeramiksubstrats für ein Träger¬ system.
Trägersysteme beispielsweise für Lichtmodule weisen in der Regel eine bedruckte Leiterplatte oder eine Metallkernplatine auf. Entsprechende Trägersysteme sind beispielsweise aus den Dokumenten US 2009/0129079 AI und US 2008/0151547 AI bekannt.
Ein bekanntes Licht Matrix Konzept besteht aus mehreren LED Array Modulen auf einem IMS (Insulated Metal Substrat) beste- hend aus einer 1 mm bis 3 mm dicken Metallschicht und einer
Isolationsschicht und Verdrahtung auf einer Lage an der Ober¬ fläche, die jeweils auf einem Kühlkörper verschraubt sind und über eine Steuereinheit ein- und ausgeschaltet werden können. Für jedes LED Array Modul ist eine komplizierte Optik erfor- derlich, was das System komplex und aufwändig macht.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine verbessertes Trägersystem sowie ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Trägersystems und die Verwendung eines Vielschicht- keramiksubstrats für ein verbessertes Trägersystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand, das Verfahren und die Verwendung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Gemäß einem Aspekt wird ein Vielschicht-Trägersystem, kurz Trägersystem, angegeben. Das Trägersystem weist wenigstens ein Vielschichtkeramiksubstrat auf. Das Vielschichtkera- miksubstrat ist eine Funktionskeramik. Das Trägersystem weist wenigstens ein Matrixmodul von wärmeproduzierenden Halblei¬ terbauelementen, beispielsweise Lichtquellen, zum Beispiel LEDs, auf. Das Matrixmodul weist matrizenförmig angeordnete Wärmequellen auf. Bevorzugt weist das wenigstens eine Mat¬ rixmodul ein LED Matrixmodul auf.
Das Matrixmodul besteht vorzugsweise aus einer Vielzahl von Einzelelementen / Halbleiterbauelementen. Die Einzelelemente selbst können wiederum eine Vielzahl von Unterkomponenten aufweisen. Das Matrixmodul kann beispielsweise eine Vielzahl von Einzel-LEDs als Halbleiterbauelemente aufweisen. Alterna¬ tiv dazu kann das Matrixmodul eine Vielzahl von LED-Arrays als Halbleiterbauelemente aufweisen. Das Matrixmodul kann auch eine Kombination aus Einzel-LEDs und LED-Arrays aufwei¬ sen. Das Matrixmodul kann mehrere Lichtmodule, beispielswei- se, zwei, drei, vier, fünf oder zehn Lichtmodule aufweisen.
Das jeweilige Lichtmodul weist vorzugsweise m x n wärmeprodu¬ zierende Halbleiterbauelemente auf, wobei bevorzugt m > 2 und n > 2. Beispielsweise weist das Matrixmodul ein 4 x 8 x 8 Licht Matrix Modul auf.
Die Halbleiterbauelemente sind auf dem Vielschichtkeramiksub¬ strat angeordnet. Die Halbleiterbauelemente werden durch das Vielschichtkeramiksubstrat zu dem Matrixmodul verbunden. Die Halbleiterbauelemente sind auf einer Oberseite des Viel- schichtkeramiksubstrats befestigt, beispielsweise über ein wärmeleitendes Material, zum Beispiel eine Lotpaste oder eine Silbersinterpaste (Ag-Sinterpaste) . Das Matrixmodul ist bzw. die Halbleiterbauelemente sind über das wärmeleitende Materi- al thermisch und elektrisch an das Vielschichtkeramiksubstrat angebunden .
Das Vielschichtkeramiksubstrat dient zur mechanischen Stabi- lisierung und zur Kontaktierung des Matrixmoduls insbesondere der wärmeproduzierenden Halbleiterbauelemente des Matrixmo¬ duls. Das Trägersystem kann beispielsweise zwei, drei oder mehr Matrixmodule aufweisen. Jedes Matrixmodul kann dabei auf einem separaten Vielschichtkeramiksubstrat angeordnet sein. Alternativ können mehrere Matrixmodule auch auf einem gemeinsamen Vielschichtkeramiksubstrat angeordnet sein.
Das Trägersystem weist ein weiteres Substrat auf. Vorzugswei¬ se ist das weitere Substrat isolierend oder halbleitend aus- gebildet. Vorzugsweise weist das weitere Substrat eine inerte Oberfläche auf. Unter „inert" wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine Oberfläche des weiteren Substrats einen hohen Isolationswiderstand aufweist. Der hohe Isolationswi¬ derstand schützt die Oberfläche des Substrats gegen äußere Einflüsse. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberfläche beispielsweise unempfindlich gegenüber elektrochemischen Prozessen, wie dem Abscheiden von metallischen Schichten auf der Oberfläche. Der hohe Isolationswiderstand macht die Oberflä¬ che des Substrats ferner unempfindlich gegen aggressive Medi- en, z.B. aggressive Flussmittel, die beispielsweise bei Löt¬ prozessen eingesetzt werden.
Das Substrat kann ein keramisches Substrat aufweisen. Insbe¬ sondere kann das Substrat A1N oder A10x, beispielsweise AI2O3, aufweisen. Das Substrat kann aber auch Siliziumcarbid (Sic) oder Bornitrid (BN) aufweisen. Das Substrat kann ein weiteres Vielschichtkeramiksubstrat aufweisen. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil in einem Vielschichtkeramiksubstrat eine Vielzahl von internen Strukturen (Leiterbahnen, ESD Strukturen, Durchkontaktierungen) integriert werden können. Das weitere Substrat kann beispielsweise eine Varistorkeramik aufweisen .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Substrat als IMS Substrat ausgebildet sein. Alternativ dazu kann das Sub¬ strat eine Metallkernleiterplatte (metal core pcp) aufweisen. Das Substrat dient der mechanischen und thermomechanischen
Stabilisierung des Trägersystems. Das Vielschichtkeramiksub- strat ist auf dem weiteren Substrat, insbesondere an einer Oberseite des Substrats, angeordnet. Beispielsweise kann ein wärmeleitendes Material, zum Beispiel eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste, zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat und dem weiteren Substrat ausgebildet sein. Das wärmeleitende Ma¬ terial dient der thermischen und elektrisch leitenden Verbindung von Substrat und Vielschichtkeramiksubstrat. Alternativ dazu kann das weitere Substrat auch über eine Kombination aus einer Wärmeleitpaste und einen Lötpaste bzw. Ag-Sinterpaste thermisch und elektrisch an das Vielschichtkeramiksubstrat angebunden sind. Beispielsweise können BGA (Ball-grid-Array) Kontakte kranzförmig in einem Randbereich des Vielschichtke- ramiksubstrats ausgebildet sein. Wärmeleitpaste kann ferner in einem weiteren Bereich, z.B. in einem Innenbereich bzw. mittleren Bereich der Unterseite des Vielschichtkeramiksub- strats, zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat und dem wei¬ teren Substrat ausgebildet sein. Die Wärmeleitpaste hat iso¬ lierende Eigenschaften. Insbesondere dient die Wärmeleitpaste nur der thermischen Anbindung.
Das Matrixmodul ist über das Vielschichtkeramiksubstrat und das weitere Substrat elektrisch leitend mit einer Treiber- Schaltung verbunden. Die Treiberschaltung dient der Ansteue- rung der Halbleiterbauelemente.
Der Aufbau des Trägersystems über das Vielschichtkeramiksub- strat erlaubt eine sehr kompakte Ausführung und die Integra¬ tion von elektronischen Komponenten direkt in die Keramik. Durch das Substrat wird die Robustheit des Systems gesteigert und eine zusätzliche Umverdrahtung ermöglicht. Damit wird ein kompaktes, sehr adaptives und langlebiges Trägersystem zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Vielschicht- Trägersystem dazu ausgebildet die Halbleiterbauelemente des Matrixmoduls einzeln anzusteuern. Vorzugsweise weist das Vielschichtkeramiksubstrat eine integrierte Vielschichtein- zelverdrahtung zur Einzelansteuerung der Halbleiterbauelemente auf. Der Begriff „integriert" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Vielschichteinzelverdrahtung in einem Innenbereich des Vielschichtkeramiksubstrats ausgebildet ist. Das weitere Substrat dient als weitere Umverdrahtungsebene für die Einzelansteuerung der Halbleiterbauelemente. Durch den Vielschichtkeramikaufbau wird die Einzelansteuerung der Halb¬ leiterbauelemente auf engstem Raum ermöglicht. Damit wird ein sehr kompaktes Trägersystem zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Treiberschaltung vorzugsweise eine Übertemperaturschutzfunktion und / oder eine Überstrom- bzw. Überspannungsschutzfunktion auf. Die Treiberschaltung kann beispielsweise einen NTC (negative tempera- ture coefficient) Thermistor zum Schutz vor zu hohen Tempera¬ turen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Treiberschaltung einen PCT (positive temperature coefficient) Ther- misor zum Schutz vor Überstrom aufweisen. Die Treiberschaltung ist vorzugsweise direkt auf einer Ober¬ fläche des Substrats, beispielsweise der Oberseite des Sub¬ strats, aufgebaut. Das Substrat dient in diesem Fall als Treibersubstrat. Die Treiberschaltung ist vorzugsweise direkt mit Leiterbahnen, z.B. Kupferleitungen, auf der Oberfläche des Substrats verbunden. Diese Leiterbahnen sind direkt mit der in dem Vielschichtkeramiksubstrat integrierten Einzelverdrahtung verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Trägersystem eine
Leiterplatte auf. Die Leiterplatte umgibt das Substrat zumin¬ dest teilweise. Das Substrat ist vorzugsweise in einer Aus¬ sparung der Leiterplatte angeordnet. Die Aussparung durch¬ dringt die Leiterplatte vollständig. Die Treiberschaltung ist direkt auf einer Oberfläche der Leiterplatte aufgebaut. Die
Treiberschaltung ist vorzugsweise direkt mit Leiterbahnen auf der Oberfläche der Leiterplatte verbunden. Die Leiterbahnen auf der Leiterplatte sind entweder direkt mit der in dem Vielschichtkeramiksubstrat integrierten Einzelverschaltung verbunden oder sie sind mit Leiterbahnen auf dem Substrat verbunden, beispielsweise über einen Steckerkontakt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Vielschichtkera¬ miksubstrat eine Varistorkeramik auf. Beispielsweise weist das Vielschichtkeramiksubstrat überwiegend ZnO auf. Das Viel¬ schichtkeramiksubstrat kann ferner Wismut, Antimon, Praseo¬ dym, Yttrium und / oder Calcium und / oder weitere Dotierungen aufweisen. Das Vielschichtkeramiksubstrat kann Strontium- Titanat (SrTiOs) oder Silizium-Carbid (SiC) aufweisen. Durch die Varistorkeramik kann ein Überspannungsschutz in das Trägersystem integriert werden. Kompakte Abmessungen werden hierbei mit optimalem Schutz für elektronische Strukturen vereint . Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Vielschichtkera- miksubstrat eine Vielzahl von Innenelektroden und Durchkon- taktierungen auf. Die Innenelektroden sind zwischen Varistorschichten des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet. Die In¬ nenelektroden weisen Ag und / oder Pd auf. Vorzugsweise be¬ stehen die Innenelektroden zu 100 % aus Ag. Die Innenelektro¬ den sind elektrisch leitend mit den Durchkontaktierungen verbunden. Vorzugsweise weist das Vielschichtkeramiksubstrat we¬ nigstens eine integrierte ESD Struktur zum Schutz vor Überspannungen auf. Alle Komponenten sind platzsparend im Innenbereich des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet. Somit wird die Einzelansteuerung der Halbleiterbauelemente auf engstem Raum ermöglicht. Die Varistorkeramik erlaubt neben der Integration der Überspannungsschutzfunktion auch die Integration eines Temperatursensors oder eines Temperaturschut¬ zes. Damit wird ein sehr adaptives und langlebiges Trägersys¬ tem zur Verfügung gestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Vielschichtkera¬ miksubstrat eine thermische Leitfähigkeit von größer oder gleich 22 W / mK auf. Die thermische Leitfähigkeit ist deut¬ lich höher als die thermische Leitfähigkeit bekannter Trä¬ gersubstrate, wie beispielsweise einem IMS Substrat, das eine thermische Leitfähigkeit von 5-8 W / mK aufweist. Damit kann die durch das Matrixmodul erzeugte Wärme optimal abgeleitet werden .
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Trägersystem einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper dient der Abfuhr von Wärme aus dem Trägersystem. Der Kühlkörper ist vorzugsweise thermisch an das weitere Substrat angebunden. Beispielsweise ist zwi¬ schen dem Kühlkörper und dem Substrat ein wärmeleitendes Ma- terial, bevorzugt eine Wärmeleitpaste, ausgebildet. Die Wär¬ meleitpaste dient der elektrischen Isolierung von Kühlkörper und weiterem Substrat. Durch die Wärmeleitpaste wird die von den Halbleiterbauelementen erzeugte Wärme effektiv dem Kühlkörper zugeleitet und von diesem aus dem System abgeleitet. Die Wärmeleitpaste ist ferner dazu ausgebildet und angeordnet thermische Spannungen zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat / dem weiteren Substrat und dem Kühlkörper, die beispielswei¬ se durch den Temperaturwechsel beim Anschalten der Halblei¬ terbauelemente erzeugt werden, abzupuffern.
Der Kühlkörper kann beispielsweise Aluminium-Gussmaterial aufweisen. Ein entsprechender Kühlkörper hat einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Beispielsweise liegt der Ausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers bei 18 bis 23 ppm / K. Der Ausdehnungskoeffizient des Vielschichtkeramiksub- strats liegt im Bereich von 6 ppm / K. Der Ausdehnungskoeffi¬ zient des weiteren Substrats liegt im Bereich von 4 bis 9 ppm / K, beispielsweise bei 6 ppm / K. Die Ausdehnungskoeffizienten von Vielschichtkeramiksubstrat und weiterem Substrat sind vorzugsweise gut aneinander angepasst. Zwischen dem Viel¬ schichtkeramiksubstrat und dem weiteren Substrat kann es bei Temperaturwechseln (beispielsweise bei Lötprozessen oder beim Ansteuern der Halbleiterbauelemente) zu thermischen Spannungen kommen. Durch die optimale Abstimmung von Vielschichtkeramiksubstrat und weiterem Substrat können die entsprechenden Spannungen gut kompensiert werden. Durch die Wärmeleitpaste zwischen Kühlkörper und Vielschichtkeramiksubstrat bzw. wei¬ terem Substrat können die thermische Unterschiede und die da¬ mit auftretenden thermischen Ausdehnungen zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat bzw. dem weiteren Substrat und dem Kühlkörper ausgeglichen werden. Damit wird ein besonders langlebiges Trägersystem zur Verfügung gestellt. Der Kühlkörper kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel aber auch Aluminium-Siliziumcarbid aufweisen. Der Kühlkörper kann eine Kupfer-Wolfram Legierung oder eine Kupfer-Molybdän Legierung aufweisen. Der Kühlkörper kann insbesondere Molybdän aufweisen, das auf Kupfer aufgebaut ist. Aluminium- Siliziumcarbid, Kupfer-Wolfram sowie Kupfer-Molybdän haben den Vorteil, dass diese Materialien einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen wie das Vielschicht- keramiksubstrat bzw. wie das weitere Substrat. Beispielsweise weist ein entsprechender Kühlkörper einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 7 ppm / K auf. Damit können thermische Spannungen zwischen Vielschichtkeramiksubstrat / wei¬ terem Substrat und Kühlkörper verringert bzw. vermieden werden. In diesem Fall kann der Einsatz der Wärmeleitpaste daher auch entfallen bzw. eine Schichtdicke der Wärmeleitpaste kann geringer ausfallen als in dem Ausführungsbeispiel mit dem Kühlkörper aus Aluminium-Gussmaterial.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Trägersystems beschrieben. Durch das Verfahren wird vorzugsweise das oben beschriebene Trägersys¬ tem hergestellt. Sämtliche Merkmale, die in Zusammenhang mit dem Trägersystem beschrieben wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt. Die im Folgenden beschriebe¬ nen Verfahrensschritte können dabei auch in einer von der Be¬ schreibung abweichenden Reihenfolge ausgeführt werden.
In einem ersten Schritt wird ein Substrat, insbesondere das oben beschriebene Substrat, bereitgestellt. Das Substrat kann ein keramisches Substrat aufweisen. Das Substrat kann ein me¬ tallisches Substrat aufweisen. Vorzugsweise sind Leiterbahnen an einer Oberfläche des Substrats ausgebildet. Ein Viel¬ schichtkeramiksubstrat, insbesondere das oben beschriebene Vielschichtkeramiksubstrat mit Leiterbahnen/Innenelektroden, wenigstens einer ESD Struktur und Durchkontaktierungen, wird auf dem Substrat angeordnet. Vorzugsweise wird vorher ein wärmeleitendes Material, beispielsweise eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste, an der Oberseite des Substrats und/oder an der Unterseite des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet.
In einem weiteren Schritt wird wenigstens ein Matrixmodul von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen an einer Ober- seite des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet. Vorzugswei¬ se wird vorher ein wärmeleitendes Material, beispielsweise eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste, an der Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats angeordnet. Die Halbleiterelemen¬ te werden über das Vielschichtkeramiksubstrat zu dem Mat- rixmodul verbunden.
In einem weiteren Schritt wird das Matrixmodul mit dem Viel¬ schichtkeramiksubstrat versintert, beispielsweise mittels Ag- Sintern, zum Beispiel yAg-Sintern.
In einem optionalen weiteren Schritt wird eine Leiterplatte bereitgestellt. Die Leiterplatte weist eine Aussparung auf, welche die Leiterplatte vollständig durchdringt. Das Substrat wird zumindest teilweise in die Aussparung eingebracht. Mit anderen Worten, die Leiterplatte wird um das Substrat herum angeordnet. Die Leiterplatte wird elektrisch leitend mit dem Substrat verbunden, beispielsweise über einen Steckerkontakt oder einen Bonddraht. In einem weiteren Schritt werden Treiberbauelementen zur Verfügung gestellt. Die Treiberbauelemente werden in einem Aus¬ führungsbeispiel auf dem Substrat, insbesondere einer Ober¬ fläche des Substrats, angeordnet zur Ansteuerung der Halblei- terbauelemente über die Leiterbahnen und Durchkontaktierungen des Vielschichtkeramiksubstrats . Alternativ dazu, in dem Aus¬ führungsbeispiel mit der Leiterplatte, werden die Treiberbau¬ elemente auf der Leiterplatte, insbesondere einer Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet.
In einem weiteren Schritt wird das Substrat mit einem Kühl¬ körper thermisch verbunden. Beispielsweise wird in einem vorangehenden Schritt wärmeleitendes Material an einer Unter¬ seite des Substrats angeordnet. Das wärmeleitende Material weist vorzuweise eine elektrisch isolierende Wärmeleitpaste auf. Das Anordnen des wärmeleitenden Materials kann aber auch bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Kühlkörpers (Alu- minium-Siliziumcarbid, Kupfer-Wolfram oder Kupfer-Molybdän Kühlkörper) entfallen.
Das Trägersystem weist wenigstens ein Matrix Lichtmodul mit punktförmiger Einzelansteuerung von einer großen Anzahl von LEDs auf. Damit kann die Umgebung sehr differenziert ausge¬ leuchtet bzw. ausgeblendet werden. Der Aufbau über einen Vielschicht Varistor mit hoher thermischer Leitfähigkeit er¬ laubt eine sehr kompakte Ausführung sowie die Integration von ESD Schutzbauelementen in die Keramik. Damit wird ein kompaktes und sehr adaptives Trägersystem bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines Viel¬ schicht-Trägersystems beschrieben. Sämtliche Merkmale, die in Zusammenhang mit dem Trägersystem und dem Verfahren zur Herstellung des Trägersystems beschrieben wurden, finden auch für die Verwendung Anwendung und umgekehrt.
Es wird die Verwendung eines Vielschicht-Trägersystems, ins¬ besondere des oben beschriebenen Vielschichtträgersystems be- schrieben. Das Trägersystem wird beispielsweise in einem Matrix LED Scheinwerfer im Automobilbereich verwendet. Das Trägersystem kann auch im Medizinbereich verwendet werden, beispielsweise mit dem Einsatz von UV-LEDs. Das Trägersystem kann für Anwendungen in der Leistungselektronik verwendet werden. Das oben beschriebene Trägersystem ist sehr adaptiv und kann folglich in verschiedensten Systemen Anwendung finden . Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Verwendung eines Viel- schichtkeramiksubstrats beschrieben. Das Vielschichtkera- miksubstrat entspricht vorzugsweise dem oben beschriebenen Vielschichtkeramiksubstrat . Das Vielschichtkeramiksubstrat weist vorzugsweise einen Varistorkeramik bzw. einen Viel- schichtvaristor auf. Das Vielschichtkeramiksubstrat weist vorzugsweise eine integrierte Vielschichteinzelverdrahtung zur Einzelansteuerung wärmeproduzierender Halbleiterbauelemente auf. Die wärmeproduzierenden Halbleiterbauelemente kön¬ nen Lichtquellen, beispielsweise LEDs, aufweisen. Die wärme- produzierenden Halbleiterbauelemente weisen vorzugsweise ein LED Matrix Modul auf. Das Vielschichtkeramiksubstrat wird vorzugsweise in dem oben beschriebenen Trägersystem verwendet. Das Vielschichtkeramiksubstrat wird vorzugsweise für die oben beschriebenen Anwendungen im Automobilbereich, Medizin- bereich und / oder Leistungselektronikbereich verwendet.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als ma߬ stabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
Figur 1 eine Draufsicht auf ein Vielschicht-Trägersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur la eine Draufsicht auf ein wärmeproduzierendes Halb¬ leiterbauelement, Figur lb eine Draufsicht auf das wärmeproduzierende Halblei¬ terbauelement gemäß Figur lb,
Figur lc eine Draufsicht auf ein wärmeproduzierendes Halb¬ leiterbauelement gemäß einem weiteren Ausführungs- beispiel,
Figur 2 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- Trägersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel, Figur 3 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- Trägersystems gemäß dem Ausführungsbeispiel aus Fi¬ gur 1 ,
Figur 4 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- Trägersystems gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 5 die Darstellung einer internen Beschaltung für das
Vielschicht-Trägersystem gemäß Figur 4, Figur 6 die Darstellung einer internen Beschaltung für das
Vielschicht-Trägersystem gemäß Figur 3, Figur 7 ein Ausführungsbeispiel für eine interne Beschal- tung eines Vielschicht-Trägersystems,
Figur 8 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- Trägersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbei¬ spiel,
Figur 9 eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- Trägersystems gemäß einem weiteren Ausführungsbei¬ spiel,
Figur 10 ein Ausführungsbeispiel für ein Treiberkonzept für ein Vielschicht-Trägersystem.
Die Figuren 1 und 3 zeigt eine Draufsicht sowie eine
Schnittansicht eines Vielschicht-Trägersystems 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Vielschicht-Trägersystem 10, kurz Trägersystem 10, weist eine Wärmequelle 1 auf. Das Trä¬ gersystem 10 kann aber auch mehrere Wärmequellen, beispielsweise zwei, drei oder mehr Wärmequellen 1, aufweisen. Die jeweilige Wärmequelle 1 weist vorzugsweise eine Vielzahl von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen la, lb auf.
Die Wärmequelle 1 kann zwei, drei, 10 oder mehr, vorzugsweise eine Vielzahl, von Einzel-LEDs la aufweisen. Die Figur la zeigt eine Draufsicht auf eine Oberseite einer Einzel-LED la. Die Figur lb zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite der Einzel-LED la mit p-Anschlussbereich IIa und n- Anschlussbereich IIb.
Die Wärmequelle 1 kann aber auch ein LED-Array lb oder mehre¬ re LED-Arrays lb aufweisen (siehe Figur lc) . Bevorzugt ist die Wärmequelle als LED Matrixmodul 7 mit einer Vielzahl von LEDs la und / oder LED-Arrays lb ausgebildet. Beispielsweise weist die Wärmequelle ein 4x8x8 LED Matrix Modul mit insge¬ samt 256 LEDs auf. Vorzugsweise ist das Trägersystem 10 ein Multi-LED Trägersystem.
Das Trägersystem 10 weist ein Vielschichtkeramiksubstrat 2 auf. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 dient als Trägersub¬ strat für die Wärmequelle 1. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 ist dazu ausgebildet die von der Wärmequelle 1 erzeugte Wärme effektiv abzuführen. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 ist ferner dazu ausgebildet die Wärmequelle 1 und insbesondere die einzelnen LEDs elektrisch zu kontaktieren, wie später im Detail beschrieben wird.
Die Wärmequelle 1 ist auf dem Vielschichtkeramiksubstrat 2, insbesondere einer Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2, angeordnet. Beispielsweise ist zwischen der Wärmequelle 1 und der Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2 ein wär- meleitendes Material 6a (Figur 3) , vorzugsweise eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste ausgebildet. Das wärmeleitende Mate¬ rial 6a weist ein Material mit einer hohen thermischen Leit¬ fähigkeit auf. Das wärmeleitende Material 6a dient ferner der elektrischen Kontaktierung des Vielschichtkeramiksubstrats 2.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist ebenfalls eine hohe thermische Leitfähigkeit auf. Beispielsweise beträgt die thermische Leitfähigkeit des Vielschichtkeramiksubstrats 2 22 W / mK. Durch die hohe thermische Leitfähigkeit von wärmelei- tendem Material 6a und Vielschichtkeramiksubstrat 2 kann die von der Wärmequelle 1 erzeugte Wärme effektiv weitergeleitet und - beispielsweise über einen Kühlkörper 4 - aus dem Trä¬ gersystem 10 abgeleitet werden. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 ist vorzugsweise ein Viel- schichtvaristor . Bei einem Varistor handelt es sich um ein nicht-lineares Bauelement, dessen Widerstand bei Überschrei- ten einer bestimmten angelegten Spannung stark absinkt. Ein Varistor ist daher geeignet, Überspannungspulse unschädlich abzuleiten. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 und insbesondere die Varistorschichten (nicht explizit dargestellt) umfassen vorzugsweise Zinkoxid (ZnO) , insbesondere polykristallines Zinkoxid. Vorzugsweise bestehen die Varistorschichten mindes¬ tens zu 90 % aus ZnO. Das Material der Varistorschichten kann mit Wismut, Praseodym, Yttrium, Calcium und / oder Antimon oder weiteren Zusätzen oder Dotierstoffen dotiert sein. Alternativ dazu können die Varistorschichten aber beispielswei- se auch Silizium-Carbid oder Stronzium-Titanat aufweisen.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist eine Dicke oder verti¬ kale Ausdehnung von 200 bis 500 ym auf. Vorzugsweise weist das Vielschichtkeramiksubstrat 2 eine Dicke von 300 ym oder 400 ym auf. Vorzugsweise ist eine Metallisierung an einer Oberseite und einer Unterseite des Vielschichtkeramiksub- strats 2 ausgebildet (nicht explizit dargestellt). Die jewei¬ lige Metallisierung weist eine Dicke von 1 ym bis 15 ym, bei¬ spielsweise 3 ym bis 4 ym auf. Eine große Dicke der Metalli- sierung hat den Vorteil, das Wärme, die von den LEDs la /
LED-Arrays lb der Wärmequelle 1 erzeugt wird, auch über die Oberfläche des Vielschichtkeramiksubstrats 2 an die Umgebung abgegeben werden kann (seitliche Wärmekonvektion) , da die Wärmeleitfähigkeit an der Oberfläche verbessert ist.
Das Trägersystem 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel ein weiteres, beispielsweise keramisches, Substrat 3 auf. Das Substrat 3 dient zur Verbesserung der mechanischen und ther- momechanischen Robustheit des Trägersystems 10. Das Substrat 3 kann beispielsweise A1N oder AI2O3 aufweisen (keramisches Substrat) . Das Substrat 3 kann ein weiteres Vielschichtkera- miksubstrat, insbesondere eine weitere Varistorkeramik mit einem anderen Material aufweisen. Alternativ dazu kann als Substrat aber auch ein IMS (Insulated Metal Substrat) oder eine Metallkern Leiterplatte Anwendung finden. Ein IMS ist beispielsweise ein isoliertes Metallsubstrat, das Aluminium oder Kupfer aufweist. An einer Oberfläche des IMS ist eine isolierende Keramik oder eine isolierende Polymerschicht aus¬ gebildet, welche Kupferleitungen zur Umverdrahtung für die Ansteuerung der einzelnen LEDs aufweist. Das Substrat 3 weist eine Dicke oder vertikale Ausdehnung von 300 ym bis 1 mm, beispielsweise 500 ym, auf.
Neben der Wärmeleitung und einer Umverdrahtung für die LEDs hat das Substrat 3 auch den Zweck die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers 4 und des Vielschicht- keramiksubstrats 2 zu kompensieren. Damit wird ein stabiles und langlebiges Trägersystem 10 realisiert.
Das Substrat 3 ist an einer Unterseite des Vielschichtkera- miksubstrats 2 angeordnet. Beispielsweise ist das Substrat 3 über ein - wie oben beschriebenes - wärmeleitendes Material 6a, beispielsweise eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste, mit dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 verbunden. Das wärmelei¬ tende Material 6a weist eine Dicke oder vertikale Ausdehnung zwischen 10 ym und 500 ym, beispielsweise 300 ym, auf. Das Substrat 3, insbesondere eine Unterseite des Substrats 3, ist mit dem oben erwähnten Kühlkörper 4 verbunden, der dazu dient die von der Wärmequelle 1 erzeugte Wärme aus dem System abzuführen. Beispielsweise ist das Substrat 3 mit dem Kühl- körper 4 verklebt oder verschraubt. Vorzugsweise ist zwischen dem Substrat 3 und dem Kühlkörper 4 wärmeleitendes Material 6b, insbesondere eine elektrisch isolierende Wärmeleitpaste, angeordnet. Alternativ dazu kann ein Einsatz des wärmeleiten- den Materials 6b aber auch entfallen oder geringer ausfallen (nicht explizit dargestellt) , wenn der Kühlkörper 4 einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Substrat 3 aufweist (Kühlkörper 4 aufweisend Aluminium- Siliziumcarbid, Kupfer-Wolfram oder Kupfer-Molybdän) . Vor- zugsweise weist der Kühlkörper 4 in diesem Fall Molybdän auf, das auf Kupfer aufgebaut ist.
Der Kühlkörper 4 weist Kühlrippen 4a auf. Zur Erzielung einer guten Konvektion muss eine starke Belüftung der Kühlrippen 4a erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kühlung des Trägersystems 10 auch mittels Wasserkühlung erzielt werden.
Zur Ansteuerung der Wärmequelle 1 und insbesondere der ein¬ zelnen LEDs la, lb weist das Trägersystem 10 eine interne Be- Schaltung bzw. Umverdrahtung auf. Insbesondere weist das
Vielschichtkeramiksubstrat 2 eine integrierte, d.h. sich im Inneren des Vielschichtkeramiksubstrats 2 befindliche, Ein- zelbeschaltung / Verdrahtung für die LEDs der Wärmequelle 1 auf. Mit anderen Worten, die LEDs können über das bzw. mit Hilfe des Vielschichtkeramiksubstrats 2 einzeln angesteuert werden .
Ein Beispiel für eine interne Beschaltung für ein Viel- schichtbauelement 10 gemäß den Figuren 1 und 3 ist dabei in den Figuren 6 und 7 dargestellt. In Figur 7 ist die interne
Beschaltung einer Reihe von 8 LEDs mit Verschaltung über vier Ebenen zur Einzelansteuerung und 5 Masseebenen ausgeführt. Dargestellt ist eine Halbzeile für acht Module. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist eine Mehrzahl von In¬ nenelektroden 202 (Figur 7) auf, die zwischen den Varistorschichten ausgebildet sind. Die Innenelektroden 202 sind innerhalb des Vielschichtkeramiksubstrats 2 übereinander ange- ordnet. Die Innenelektroden 202 sind weiterhin zweckmäßigerweise elektrisch voneinander getrennt. Vorzugsweise sind die Innenelektroden 202 weiterhin derart übereinander angeordnet und ausgebildet, dass diese zumindest teilweise überlappen. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist wenigstens eine Durch- kontaktierung / ein Via 8, 201 (Figuren 3 und 7), vorzugsweise mehrere Vias 8, 201 auf. Ein Via 8, 201 weist dabei eine Aussparung in dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 auf, welche mit einem elektrisch leitendem Material, insbesondere einem Metall, gefüllt ist. Die Vias 8, 201 dienen dazu die LEDs mit einer Treiberschaltung elektrisch zu verbinden, wie später im Detail beschrieben wird. Die Vias 8, 201 sind mit den Innene¬ lektroden 202 elektrisch leitend verbunden. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist zur Einzelansteuerung der LEDs ferner einen Kontaktbereich 21 zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts mit der Wärmequelle 1 auf. Der Kontaktbereich 21 ist in einem zentralen Bereich des Vielschichtkeramiksubstrats 2 ausgebildet (Figur 6) . Der Kontakt- bereich 21 ist in diesem Ausführungsbeispiel in vier Teilbe¬ reiche aufgeteilt (Figur 6) zur Kontaktierung eines Einzelmo¬ duls von jeweils 8x8 LEDs. Insgesamt soll damit über die in¬ terne Beschaltung eine sehr große Anzahl von beispielsweise 256 (4x8x8) LEDs angesteuert werden. Der Kontaktbereich 21 ist mit Top Kontakten bzw. Anschlusspads 200 für die LEDs versehen (Figur 7), die mit den Innenelektroden 202
elektrisch leitend verbunden sind. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist ferner einen Kontakt 25 auf, um eine elektrisch leitfähige Verbindung zu dem Sub¬ strat 3 herzustellen. Der Kontakt 25 ist vorzugsweise in ei¬ nem Randbereich des Vielschichtkeramiksubstrats 2 ausgebildet (Figur 6) . Der Kontakt 25 ist bevorzugt ein BGA Kontakt (Lot¬ kugeln) oder wird mittels Drahtbonds realisiert. Der Kontakt 25 dient neben der elektrischen Anbindung auch als Stresspuffer indem er thermomechanische Unterschiede zwischen Substrat 3 und Vielschichtsubstrat 2 ausgleicht.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist ferner eine integrier¬ te ESD (Electro Static Discharge) Struktur 22 auf. Die ESD Struktur 22 weist eine ESD Elektrodenfläche 220, 220 λ und ei¬ ne Masselelektrode 221 auf. Wie die Innenelektroden 202 und die Vias 8, 201 wird auch die ESD Struktur 22 bei der Her¬ stellung des Vielschichtkeramiksubstrats 2 in das Substrat 2 integriert. Die Wärmequelle 1, welche gegen Überspannungen, wie sie z.B. durch einen ESD-Impuls ausgelöst sein kann, sehr empfindlich ist, wird mit Hilfe der ESD Struktur 22 gegen diese Strom- oder Spannungsstöße geschützt. Die ESD Struktur 22 ist rahmenförmig um den zentralen Kontaktbereich 21 herum realisiert (Figur 6) . Um die ESD Struktur 22 ist ferner der Kontakt 25 rahmenförmig realisiert (Figur 6) . Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 kann ferner einen integrier¬ ten Temperatursensor bzw. eine Temperaturüberschutzfunktion aufweisen (nicht explizit dargestellt) .
Durch den Vielschichtaufbau des Vielschichtkeramiksubstrats 2 wird die Einzelansteuerung der LEDs auf engstem Raum realisiert. Die Varistorkeramik erlaubt dabei wie oben beschrieben auch die Integration einer Überspannungsschutzfunktion (ESD, Surgepulse) sowie einer Temperaturüberschutzfunktion. Damit kann ein kompaktes und sehr adaptives Trägersystem 10 erreicht werden, das unterschiedlichsten Anforderungen gerecht wird . Zur Ansteuerung der Wärmequelle 1 und insbesondere der LEDs weist das Trägersystem 10 letztlich eine Treiberschaltung auf (nicht explizit dargestellt) . Die Treiberschaltung kann im¬ plementierte Schutzfunktionen aufweisen. Die Treiberschaltung weist vorzugsweise einen Übertemperaturschutz (beispielsweise über einen NTC Thermistor) und / oder einen Überspannungsoder Überstromschutz (beispielsweise über einen PTC Thermistor) auf.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Treiberschaltung auf dem Substrat 3, insbesondere auf einer Oberfläche des Sub¬ strats 3, realisiert. Vorzugsweise ist die Treiberschaltung mittels Reflowlöten an der Oberseite des Substrats 3 reali¬ siert. Die Treiberschaltung ist mit metallischen Leiterbahnen, beispielsweise Kupferleitungen, an der Oberfläche des Substrats 3 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel dient das Substrat 3 folglich als Treibersubstrat. Das Substrat 3 dient insbesondere als weitere Umverdrahtungsebene um die LEDs einzeln über die Treiberschaltung anzusteuern. Die Leiterbahnen an der Oberfläche des Substrats 3 sind mit der in dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 integrierten Verdrahtung elektrisch leitend verbunden um die LEDs einzeln anzusteuern.
Die Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- Trägersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu dem Vielschicht-Trägersystem gemäß der Figuren 1 und 3 weist das Trägersystem 10 aus Figur 2 kein weiteres Substrat 3 auf. Vielmehr ist das Vielschichtkeramiksubstrat 2 in diesem Ausführungsbeispiel direkt mit dem Kühlkörper 4 verbunden. Zwischen dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 und dem Kühlkörper 4 kann ein wärmeleitendes Material 6b (elektrisch isolierende Wärmeleitpaste) angeordnet sein. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Treiberschaltung direkt auf einer Oberfläche des Vielschichtkeramiksubstrats 2, bei¬ spielsweise dessen Unterseite, realisiert. Durch das Wegfal¬ len des Substrats 3 (Treibersubstrat) kann der Aufbau des Vielschicht-Trägersystems 10 vereinfacht werden. Insbesondere sind alle für die Einzelansteuerung der LEDs erforderlichen elektronischen Bausteine, wie die Umverdrahtung und die Trei¬ berschaltung im bzw. auf dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 re¬ alisiert . Alle weiteren Merkmale des Vielschicht-Keramiksubstrats 10 gemäß Figur 2, insbesondere der Aufbau und die Zusammenset¬ zung des Vielschichtkeramiksubstrats 2 sowie die interne Be- schaltung (siehe Figur 7) entsprechen den in Zusammenhang mit den Figuren 1 und 3 beschriebenen Merkmalen.
Die Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- Trägersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu dem Trägersystem gemäß den Figuren 1 und 3 beschrieben.
Im Gegensatz zu dem Vielschicht-Trägersystem gemäß der Figuren 1 und 3 weist das Trägersystem 10 zusätzlich eine Leiterplatte 5 auf. Die Leiterplatte 5 umgibt das Substrat 3. Vor¬ zugsweise ist das Substrat 3 wenigstens an dessen Stirnseiten vollständig von der Leiterplatte 5 umgeben.
Zu diesem Zweck weist die Leiterplatte 5 eine Aussparung 5a auf, in der das Substrat 3 angeordnet ist. Die Aussparung 5a durchdringt die Leiterplatte 5 vollständig. Die Leiterplatte 5 ist mittels einer Steckerverbindung 26 oder einem Bonddraht 26 elektrisch leitend mit dem Substrat 3 verbunden. Wie in Zusammenhang mit den Figuren 1 und 3 beschrieben, ist das Substrat 3 thermisch verbunden. Beispielsweise ist zwischen dem Substrat 3 und dem Kühlkörper 4 wärmeleitendes Material 6b (elektrisch isolierende Wärmeleitpaste) angeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Treiberschaltung direkt auf einer Oberfläche der Leiterplatte 5, beispielsweise deren Oberseite, realisiert (nicht explizit dargestellt) . Das Sub¬ strat 3 dient neben dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 als wei¬ tere Umverdrahtungsebene, um die LEDs einzeln über die Trei¬ berschaltung anzusteuern. Insbesondere kann die Treiberschal- tung mit elektrischen Leitungen an der Oberfläche des Substrats 3 verbunden sein. Jedoch stellt das Substrat 3 in die¬ sem Ausführungsbeispiel kein Treibersubstrat dar, da die Treiberschaltung auf der Leiterplatte 5 und nicht auf dem Substrat 3 angeordnet ist.
Die Figur 5 zeigt ein Beispiel für eine interne Beschaltung für ein Vielschichtbauelement 10 gemäß der Figur 4. Darge¬ stellt ist dabei die interne Beschaltung eines 4x8x8 Licht Matrix Moduls mit Einzelansteuerung von 256 LEDs und inte- grierten ESD Schutz am Eingang eines Steckerkontakts und am Eingang zum LED Modul.
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist dabei den Kontaktbe¬ reich 21 zur Herstellung eines elektrisch leitenden Kontakts mit der LED Matrix auf. Der Kontaktbereich 21 ist in vier zentrale Teilbereiche aufgeteilt zur Kontaktierung eines Ein¬ zelmoduls von jeweils 8x8 LEDs. Rahmenförmig um den Kontaktbereich 21 angeordnet befindet sich die ESD Struktur 22. Über einen physikalischen Steckerkontakt 24 in einem äußeren Randbereich des Vielschichtkera- miksubstrats 2 wird eine elektrisch leitende Verbindung zur Treiberschaltung auf der Leiterplatte 5 hergestellt. Zwischen dem Steckerkontakt 24 und der ESD Struktur 22 ist die Umver- drahtung 23 zur Einzelkontaktierung der LEDs ausgebildet (siehe hierzu auch Figur 7) . Die ESD Struktur 22 ist am Eingang des Steckerkontakts 24 sowie am Eingang zum Kontaktbe- reich 21 ausgebildet.
Alle weiteren Merkmale des Vielschicht-Keramiksubstrats 10 gemäß der Figur 4 entsprechen den in Zusammenhang mit den Figuren 1 und 3 beschriebenen Merkmalen. Dies betrifft insbe- sondere die Struktur und die Verbindung von der Wärmequelle 1, dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 sowie dem Substrat 3 so¬ wie die detaillierte Ausgestaltung von Einzelverdrahtung / Umverdrahtung und Treiberschaltung. Die Figur 8 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- Trägersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Trägersystem 10 weist mehrere Wärmequellen 1, 1λ auf. Insbesondere zeigt Figur 8 zwei Wärmequellen 1, 1 jedoch kann auch eine größere Anzahl von Wärmequellen, beispielswei- se drei, vier oder fünf Wärmequellen, vorgesehen sein.
Die jeweilige Wärmequelle 1, 1λ weist ein LED Matrix Modul auf, wobei das jeweilige Modul eine unterschiedliche Anzahl von LEDs aufweist. Beispielsweise weist die Wärmequelle 1λ eine geringere Anzahl von LEDs (Einzel LEDs la und / oder
LED-Arrays lb) , zum Beispiel die Hälfte der LEDs, auf wie die Wärmequelle 1. Die Wärmequelle 1λ produziert folglich weniger Wärme als die Wärmequelle 1. Wie bereits in Zusammenhang mit dem Trägersystem 10 aus Figur 2 beschrieben, dessen grundlegender Aufbau dem des Trägersystems 10 aus Figur 8 entspricht, ist die jeweilige Wärmequelle 1, 1λ auf einem Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2λ angeordnet. Dabei ist für jede Wärmequelle 1, 1λ ein separates Viel¬ schichtkeramiksubstrat 2, 2λ vorgesehen. Vorzugsweise befin¬ det sich wärmeleitendes Material 6a, 6a λ (Lotpaste oder Ag- Sinterpaste) zwischen der jeweiligen Wärmequelle 1, 1λ und dem jeweiligen Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2λ (nicht expli¬ zit dargestellt) .
Das Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2λ ist jeweils auf einem separaten Kühlkörper 4, 4λ angeordnet. Zwischen dem Kühlkör- per 4, 4λ und dem Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2λ kann wie- derrum wärmeleitendes Material 6b, 6b λ (elektrisch isolieren¬ de Wärmeleitpaste) angeordnet sein.
Durch die Verwendung von separaten Kühlkörpern 4, 4λ bzw. Kühlsystemen kann die Verlustleistung der jeweiligen Wärmequelle 1, 1λ individuell angepasst werden. Beispielsweise kann die Verlustwärme unterschiedlich großer / leistungsstarker Wärmequellen bzw. LED Matrix Module 1, 1 λ in dem Trägersystem 10 durch individuell angepasste Kühlsysteme / Kühlkör- per 4, 4λ effektiv abgeführt werden. So ist der Kühlkörper 4, welcher der Wärmequelle 1 mit einer größeren Anzahl von LEDs zugeordnet ist, größer ausgestaltet, als der andere Kühlkör¬ per 4. Insbesondere weist der Kühlkörper 4 größere Kühlrippen auf, wodurch eine stärkere Kühlleistung erzielt werden kann.
Selbstverständlich können auch mehrere Wärmequellen 1, 1λ / LED Matrix Module mit gleicher Anzahl von LEDs Anwendung finden, deren Verlustwärme dann über ähnlich oder gleich ausge- staltete Kühlkörper 4, 4λ aus dem Trägersystem 10 abgeführt wird .
Das komplette System aus Wärmequellen 1, 1 Vielschichtkera- miksubstrat 2, 2λ und Kühlkörper 4, 4λ ist auf einem gemeinsamen Träger 9 angeordnet. Der Träger 9 kann beispielsweise ein rein mechanischer Träger, zum Beispiel in Form einer Leiterplatte, oder ein weiterer, übergeordneter Kühlkörper sein. Der Träger kann ein Aluminiumgussmaterial aufweisen. Der Trä- ger 9 dient der mechanischen Stabilisierung und/ oder der bessern Kühlung des Trägersystems 10.
Die Figur 9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vielschicht- Trägersystems 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Das Trägersystem 10 weist mehrere Wärmequellen 1, 1λ, 1λ λ auf. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei Wärmequellen dargestellt, jedoch kann das Trägersystem 10 auch zwei Wärme¬ quellen, oder vier Wärmequellen oder mehr Wärmequellen aufweisen. Die jeweilige Wärmequelle 1, 1λ, 1λ λ weist ein LED Matrix Modul auf. Alle LED Matrix Module weisen in diesem
Ausführungsbeispiel vorzugsweise die gleiche Anzahl von LEDs auf .
Die jeweilige Wärmequelle 1, 1λ, 1λ λ ist auf einem Viel- schichtkeramiksubstrat 2, 2λ, 2λ λ angeordnet. Dabei ist für jede Wärmequelle 1, 1λ, 1λ λ ein separates Vielschichtkera- miksubstrat 2, 2λ, 2λ λ vorgesehen. Vorzugsweise befindet sich wärmeleitendes Material (Lotpaste oder Ag-Sinterpaste) zwi¬ schen der jeweiligen Wärmequelle 1, 1λ, 1λ λ und dem jeweili- gen Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2λ, 2λ λ (nicht explizit dargestellt) . Das Vielschichtkeramiksubstrat 2, 2λ, 2λ λ ist jeweils auf ei¬ nem separaten Substrat 3, 3λ, 3λ λ angeordnet, welches zum ei¬ nem zur Umverdrahtung und zum anderen als Stresspuffer zur Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Vielschichtkeramiksubstrat 2 und Kühlkörper 4 dient. Fer¬ ner kann das Substrat 3, 3λ, 3λ λ auch eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, wie bereits in Zusammenhang mit den Figuren 1 und 3 beschrieben wurde. Dies gilt insbesondere für ein keramisches Substrat, das beispielsweise A1N oder AI2O3 aufweist.
Das jeweilige keramischen Substrat 3, 3, 3λ λ ist auf einem gemeinsamen Kühlkörper 4 angeordnet. Die Wärmequellen 1, 1 1 λ λ besitzen also ein gemeinsames Kühlsystem. Ein gemeinsames Kühlsystem ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Wärme¬ quellen 1, 1λ, 1λ λ eine ähnliche Verlustwärme produzieren. Ferne kann durch ein gemeinsames Kühlsystem eine größere An¬ zahl von Kühlrippen bereitgestellt werden, da auch Bereiche zwischen den einzelnen LED Matrix Modulen abgedeckt werden. Die Kühlleistung kann damit gesteigert werden.
Die Figur 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Treiber¬ konzept für ein Vielschicht-Trägersystem. Zur Einzelansteuerung eines 4x8x8x LED Matrix Moduls 7 mit
256 Einzel-LEDs erfolgt eine physikalische Aufteilung des Mo¬ duls 7 in vier Quadranten 301 mit je 8x8 LEDs. Dabei umfasst die linke geschwungene Klammer 302 den LED-Bereich 1 bis 64. Die obere geschwungene Klammer 302 umfasst LEDs 65 bis 128. Die untere geschwungene Klammer 302 bezeichnet LEDs 129 bis 192. Die rechte geschwungene Klammer 32 bezeichnet LEDs 193 bis 256. Werden einzelne LEDs der Quadranten 301 des Moduls 7 ange¬ steuert / angeschaltet, so kommt es zu einer lokalen Tempera¬ turerhöhung. So wird die Temperatur von Raumtemperatur (ca. 25° C) auf ca. 70° C bis 100° C erhöht. Diese Wärme muss gleichmäßig abgeführt werden. Die interne Beschaltung der
LEDs muss daher so ausgestaltet sein, dass eine gleichmäßige Wärmeabfuhr sowie eine gleichmäßige Strom- Leistungsvertei¬ lung erfolgt. Insbesondere muss die Umverdrahtung über die verschiedenen Ebenen gleichmäßig ausgestaltet sein.
Zur Einzelansteuerung der 256 LEDs sind - je nach Spezifikation - mehrere Treiber erforderlich. In diesem Ausführungsbeispiel sind 32 Treiber 303 vorgesehen, wobei jeder Treiber 8 LEDs ansteuern kann.
Durch das LED Modul 7 wird eine hohe Leistung produziert. Die Treiber 303 benötigen daher eine Stromversorgung. Insgesamt werden 25,6 A für 256 LEDs benötigt (ca. 100 mA pro LED) . Konverter 304 dienen der Versorgung der einzelnen Treiber 303.
Die Treiber 303 werden über einen zentralen MikroController 305 angesteuert. Der MikroController 305 ist beispielsweise mit einem Datenbus in einem KFZ verbunden. Der Mikrocontrol- 1er 305 kann zum Beispiel mit dem CAN Bus oder den ETHERNET
Bus verbunden sein. Der Datenbus ist wiederum mit einer zentralen Steuereinheit verbunden.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Viel- schicht Trägersystems 10 beispielhaft beschrieben. Alle Merk¬ male, die in Zusammenhang mit dem Trägersystem 10 beschrieben wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt . In einem ersten Schritt wird das Vielschichtkeramiksubstrat 2 bereitgestellt. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 entspricht vorzugsweise dem oben beschriebenen Vielschichtkeramiksub- strat 2. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 weist vorzugsweise eine Varistorkeramik auf.
Zur Herstellung des Varistors mit Vielschichtstruktur werden zunächst grüne keramische Folien aus den dielektrischen kera- mischen Komponenten hergestellt. Die keramischen Folien können dabei beispielsweise ZnO sowie verschiedene Dotierungen aufweisen .
Ferner ist die Keramik vorzugsweise so beschaffen, dass sie bereits unter dem Schmelzpunkt des Materials der integrierten Metallstrukturen (Innenelektroden, Vias, ESD-Strukturen) mit hoher Qualität gesintert werden kann. Während des Sinterns wird daher eine Flüssigphase benötigt, die bereits bei tiefen Temperaturen existiert. Dies wird beispielsweise durch eine Flüssigphase wie Wismutoxid gewährleistet. Die Keramik kann daher auf mit Wismutoxid dotiertem Zinkoxid basieren.
Auf die Keramikfolien werden die Innenelektroden 202 aufgebracht, indem die grüne Keramik mit einer Metallisierungspas- te in dem Elektrodenmuster beschichtet wird. Die Metallisie¬ rungspaste weist beispielsweise Ag und / oder Pd auf. Auf die Keramikfolien wird die ESD-Struktur 202 aufgebracht. Ferner werden Durchbrüche zur Ausbildung der Durchkontaktierungen 8, 202 in die Grünfolien eingebracht. Die Durchbrüche können mittels Stanzen oder Lasern der Grünfolien erzeugt werden. Die Durchbrüche werden anschließend mit einem Metall (vor¬ zugsweise Ag und / oder Pd) gefüllt. Die metallisierten grü¬ nen Folien werden gestapelt. Der Grünkörper wird anschließend gepresst und gesintert.
Die Sintertemperatur wird an das Material der Innenelektroden 202 angepasst. Bei Ag-Innenelektroden beträgt die Sintertem- peratur vorzugsweise weniger als 1000°C, beispielsweise
900°C.
Ein Teilbereich der Oberfläche des gesinterten Grünstapels wird anschließend metallisiert. Beispielsweise wird dabei Ag, Cu oder Pd auf die Oberseite und die Unterseite des gesinter¬ ten Grünstapels aufgedruckt. Nach dem Durchheizen des metal¬ lisierten Stapels werden nicht geschützte Strukturen bzw. Bereiche des Stapels versiegelt. Dazu wird auf die Unterseite und die Oberseite Glas oder Keramik aufgedruckt.
In einem optionalen weiteren Schritt (siehe Trägersystem gemäß Figuren 1 und 3) wird das Substrat 3 bereitgestellt. Das Substrat 3 entspricht vorzugsweise dem oben beschriebenen Substrat 3. Das Substrat 3 kann eine Keramik (Varistorkera- mik, A1203, A1N) oder ein Metall (IMS Substrat, Metallkern¬ leiterplatte) aufweisen. Leiterbahnen, beispielsweise mit o- der aus Kupfer, sind vorzugsweise an einer Oberseite des Sub¬ strats 3 ausgebildet. Das Vielschichtkeramiksubstrat 2 wird auf der Oberseite des Substrats 3 angeordnet. Beispielsweise kann in einem vorgelagerten Schritt eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste auf die Oberseite des Substrats 3 aufgebracht werden. Mittels Reflow-Löten erfolgt die physikalische Ver¬ bindung zwischen dem Substrat 3 und dem Vielschichtkera¬ miksubstrat 2. Bei dem Trägersystem 10 gemäß Figur 2, welches kein Substrat 3 aufweist, entfällt der soeben beschriebene Verfahrensschritt . In einem optionalen weiteren Schritt (siehe Trägersystem gemäß Figur 4) wird die Leiterplatte 5 bereitgestellt. Die Lei¬ terplatte 5 wird um das Substrat 3 herum angeordnet. Das Sub¬ strat 3, das an dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 befestigt ist, wird in die Aussparung 5a der Leiterplatte 5 einge¬ bracht. Anschließend werden Leiterplatte 5 und Substrat 3 miteinander über eine Steckerverbindung 26 oder einen Bonddraht 26 miteinander verbunden. Bei den Trägersystemen 10 gemäß Figuren 1 bis 3, welche keine Leiterplatte 5 aufweisen, entfällt der soeben beschriebene Verfahrensschritt.
In einem nächsten Schritt wird wenigstens ein LED Matrixmodul 7 auf der Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2 ange¬ ordnet. Beispielsweise kann in einem vorgelagerten Schritt eine Lotpaste oder eine Ag-Sinterpaste auf die Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats 2 aufgebracht werden. Durch Ag- Sintern (beispielsweise yAg-Sintern) oder Löten wird das Matrixmodul 7 fest mit dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 verbun¬ den. Der Vorteil von yAg ist, dass das Silber bereits bei tiefen Temperaturen von 200° C bis 250° C schmilzt und an¬ schließend nicht wieder aufschmilzt.
Anschließend werden Treiberbauelemente für die Treiberschal¬ tung zur Verfügung gestellt. Je nach Ausführung des Träger- Systems 10 werden die Treiberbauelement auf dem Vielschicht¬ keramiksubstrat 2, auf dem Substrat 3 oder auf der Leiter¬ platte 5 realisiert. Die Treiberschaltung wird durch Reflow- Löten mit dem Vielschichtkeramiksubstrat 2, auf dem Substrat 3 oder auf der Leiterplatte 5 verbunden.
Mittels der Treiberbauelemente werden die LEDs über die in das Vielschichtkeramiksubstrat 2 integrierte Verdrahtung ein¬ zeln angesteuert. Die Treiberschaltung ist mit den Innene- lektroden 202 und den Durchkontaktierungen 8, 201 elektrisch leitend verbunden.
In einem letzten Schritt wird der Kühlkörper 4 bereitgestellt und an dem Trägersystem 10 befestigt. Der Kühlkörper 4 wird an dem Vielschichtkeramiksubstrat 2 oder an dem Substrat 3 beispielsweise angeklebt. Der Kühlkörper kann ein Aluminium- Gussmaterial aufweisen. In diesem Fall wird in einem vorgela¬ gerten Schritt eine Wärmeleitpaste auf die Unterseite des Substrats 3 oder des Vielschichtkeramiksubstrats 2 aufge¬ bracht. Anschließend wird das Trägersystem 10 zur Verfesti¬ gung ausgebacken. Dabei treten kaum Temperaturunterschiede auf, so dass in diesem Verfahrensschritt thermische Spannun¬ gen zwischen den einzelnen Komponenten vermieden werden.
Alternativ dazu kann der Kühlkörper 4 aber auch Materialien aufweisen, die einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Substrat 3 bzw. das Vielschichtkeramiksub¬ strat 2 aufweisen. Beispielsweise kann der Kühlkörper 4 Alu- minium-Siliziumcarbid, Kupfer-Wolfram oder Kupfer-Molybdän aufweisen. In diesem Fall kann das Aufbringen der Wärmeleitpaste 6b auch entfallen bzw. es kann eine dünnere Schicht der Wärmeleitpaste 6b aufgebracht werden. Das entstandene Trägersystem 10 weist wenigstens ein Matrix
Lichtmodul mit punktförmiger Einzelansteuerung von einer großen Anzahl von LEDs auf. Dadurch wird es ermöglicht die Umge¬ bung deutlich differenzierter auszuleuchten (oder auch das Licht abzublenden) als bei Lösungen mit LED Array Segmenten. Der Aufbau über einen Vielschicht Varistor mit hoher thermischer Leitfähigkeit erlaubt eine sehr kompakte Ausführung, die Integration von ESD Schutzbauelementen und den Aufbau der Treiberschaltung direkt auf der Keramik. Damit ist ein kompaktes und sehr adaptives Trägersystem 10 entstanden.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - beliebig miteinander kombiniert werden .
Bezugs zeichenliste
1, 1 l, v Wärmequelle
la Einzel-LED / wärmeproduzierendes Halb- leiterbauelement
lb LED-Array / wärmeproduzierendes Halb¬ leiterbauelement
2, 2 2, v Vielschichtkeramiksubstrat
3, 3 3λ Λ Substrat
4, 4λ λ Kühlkörper
4a Kühlrippen
5 Leiterplatte
5a Aussparung
6a Wärmeleitendes Material / Lotpaste / Sinter- paste
6b, 6b 6b Wärmeleitendes Material / Wärmeleitpaste
7 Matrixmodul
8 Durchkontaktierung / Via
9 Träger
IIa p-Anschlussbereich
IIb n-Anschlussbereich
10 Trägersystem
20 Vielschichteinzelverdrahtung
21 Kontaktbereich
22 ESD Struktur
23 Verdrahtung
24 Steckerkontakt
25 Kontakt
26 Steckerverbindung / Bonddraht
200, 200Λ Top Kontakt 201 Via / Durchkontaktierung
202 Innenelektrode / Leiterbahn
220 ESD Elektrodenfläche
221 Masse Elektrode
300 Treiberkonzept
301 Quadrant
302 Klammer
303 Treiber
304 Konverter
305 MikroController

Claims

Patentansprüche
1. Vielschicht-Trägersystem (10) aufweisend
- wenigstens ein Vielschichtkeramiksubstrat (2),
- wenigstens ein Matrixmodul (7) von wärmeproduzierenden
Halbleiterbauelementen (la, lb) , wobei die Halbleiterbauele¬ mente (la, lb) auf dem Vielschichtkeramiksubstrat (2) ange¬ ordnet sind,
- ein weiteres Substrat (3) , wobei das Vielschichtkeramiksub- strat (2) auf dem Substrat (3) angeordnet ist,
wobei das Matrixmodul (7) über das Vielschichtkeramiksubstrat (2) und das weitere Substrat (3) elektrisch leitend mit einer Treiberschaltung verbunden ist.
2. Vielschicht-Trägersystem (10) nach Anspruch 1,
wobei die Treiberschaltung direkt auf einer Oberfläche des Substrats (3) aufgebaut ist.
3. Vielschicht-Trägersystem (10) nach Anspruch 1,
aufweisend eine Leiterplatte (5) , wobei die Leiterplatte (5) das Substrat (3) zumindest teilweise umgibt, und wobei die Treiberschaltung direkt auf einer Oberfläche der Leiterplatte (5) aufgebaut ist.
4. Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) eine integrierte Vielschichteinzelverdrahtung (20) zur Einzelansteuerung der Halbleiterbauelemente (la, lb) aufweist.
5. Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) eine Varistorkeramik aufweist .
6. Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) eine integrierte ESD Struktur (22) aufweist.
7. Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das wenigstens eine Matrixmodul (7) ein LED Matrixmodul aufweisend eine Vielzahl von Einzel-LEDS (la) und / oder LED_Arrays (lb) aufweist.
8. Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das wenigstens eine Matrixmodul (7) wenigstens vier Lichtmodule (301) mit je m x n Halbleiterbauelementen (la, lb) aufweist, wobei m > 2 und n > 2.
9. Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das Substrat (3) A1N oder A10x aufweist, oder wobei das Substrat (3) ein IMS Substrat, eine Metallkern-Leiterplatte oder ein weiteres Vielschichtkeramiksubstrat aufweist.
10. Vielschicht-Trägersystem (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
aufweisend einen Kühlkörper (4), wobei das Substrat (3) mit dem Kühlkörper (4) thermisch verbunden ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Trägersystems (10) aufweisend die folgenden Schritte - Bereitstellen eines Substrats (3) ;
- Anordnen eines Vielschichtkeramiksubstrats (2) mit inte¬ grierten Leiterbahnen (202), ESD Strukturen (22) und Durch- kontaktierungen (201) auf dem Substrat (3) ;
- Anordnen wenigstens eines Matrixmoduls (7) von wärmeprodu¬ zierenden Halbleiterbauelementen (la, lb) an einer Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats (2);
- Verbinden der Anordnung aus Vielschichtkeramiksubstrat (2), Matrixmodul (7) und Substrat (3) durch Ag-Sintern oder Löten; - Bereitstellen von Treiberbauelementen und Anordnen der
Treiberbauelemente auf dem Substrat (3) zur Ansteuerung der Halbleiterbauelemente (la, lb) über die Leiterbahnen (202) und Durchkontaktierungen (201);
- Thermisches Verbinden des Substrats (3) mit einem Kühlkör- per (4) .
12. Verfahren zur Herstellung eines Vielschicht-Trägersystems (10) aufweisend die folgenden Schritte
- Bereitstellen eines Substrats (3) ;
- Anordnen eines Vielschichtkeramiksubstrats (2) mit inte¬ grierten Leiterbahnen (202), ESD Strukturen (22) und Durchkontaktierungen (201) auf dem Substrat (3) ;
- Anordnen wenigstens eines Matrixmoduls (7) von wärmeprodu¬ zierenden Halbleiterbauelementen (la, lb) an einer Oberseite des Vielschichtkeramiksubstrats (2);
- Bereitstellen einer Leiterplatte (5) , wobei die Leiterplat¬ te (5) eine Aussparung (5a) aufweist, welche die Leiterplatte (5) vollständig durchdringt;
- Zumindest teilweises Einbringen des Substrats (3) in die Aussparung (5a) und elektrisch leitendes Verbinden von Leiterplatte (5) und Substrat (3) ; - Verbinden der Anordnung aus Vielschichtkeramiksubstrat (2), Matrixmodul (7), und Substrat (3) durch Ag-Sintern oder Lö¬ ten;
- Bereitstellen von Treiberbauelementen und Anordnen der Treiberbauelemente auf der Leiterplatte (5) zur Ansteuerung der Halbleiterbauelemente (la, lb) über die Leiterbahnen (202) und Durchkontaktierungen (201);
- Thermisches Verbinden des Substrats (3) mit einem Kühlkör¬ per ( 4 ) .
13. Verwendung eines Vielschichtkeramiksubstrats (2) in einem Vielschicht-Trägersystem (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Vielschichtkeramiksubstrat (2) einen Viel- schichtvaristor aufweist.
14. Verwendung nach Anspruch 13, wobei das Vielschichtkera¬ miksubstrat (2) eine integrierte Vielschichteinzelverdrahtung (20) zur Einzelansteuerung von wärmeproduzierenden Halbleiterbauelementen (la, lb) aufweist.
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