WO2019145137A1 - Bauelementesubstrat mit wenigstens einer thermoelektrischen komponente sowie verfahren zur herstellung eines bauelementesubstrats - Google Patents

Bauelementesubstrat mit wenigstens einer thermoelektrischen komponente sowie verfahren zur herstellung eines bauelementesubstrats Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelementesubstrat (10), insbesondere eine Leiterplatte (14), mit wenigstens einer in das Bauelementesubstrat (10) integrierten thermoelektrischen Komponente (12). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Komponente (12) zur Energieversorgung mittels wenigstens eines plättchen- oder drahtförmigen Verbindungsefements (28) mit einer Versorgungsleitung (29) des Bauelementesubstrats (10) verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementesubstrats ( 10) mit wenigstens einer in das Bauelementesubstrat (10) integrierten thermischen Komponente (28). Erfindungsgemäß wird die thermische Komponente (28) vor Abschluss des Herstellprozesses des übrigen Bauelementesubstrats (10) in das Bauelementesubstrat (10) integriert.

Description

Bauelementesubstrat mit wenigstens einer thermoelektrischen Komponente sowie Verfahren zur
Herstellung eines Ba uelementesu bstrats
B e s c h r e i b u n g :
Die Erfindung betrifft ein Bauelementesubstrat, insbesondere eine
Leiterplatte. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
Herstellung eines Bauelementesubstrats, mit wenigstens einer in das Bauelementesubstrat integrierten thermoelektrischen Komponente.
Eine Leiterplatte, in die ein Peltier-Element integriert ist, ist aus der Offenlegungsschrift DE 43 04 654 Al bekannt. Aus der Patentschrift US 9,185,791 B2 ist es bekannt, einen Mikro-
Kühlkörper in eine Leitplatte zu integrieren. Der Mikro-Kühlkörper ist dazu aus elektrisch isolierendem Material wie beispielsweise einer Aluminium- Keramik, einer Aluminiumnitrid-Keramik, Siliziumkarbid, Diamant oder dergleichen gebildet.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass sie, insbesondere aufgrund hoher thermischer Wechsellasten, nur eine geringe Lebensdauer erwarten lassen und/oder, insbesondere bei Hochleistungsanwendungen, nur eine unzureichende Kühlleistung bereitstellen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Bauelementesubstrat mit wenigstens einer in das Bauelementesubstrat integrierten
thermoelektrischen Komponente sowie ein verbessertes Verfahren zur
Herstellung eines solchen Bauelementesubstrats anzubieten.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Bauelementesubstrat, insbesondere eine Leiterplatte, mit wenigstens einer in das Bauelementesubstrat integrierten thermoelektrischen Komponente, wobei die thermoelektrische Komponente zur Energieversorgung mittels wenigstens eines plättchen- oder drahtförmigen Verbindungselements mit einer Versorgungsleitung des Bauelementesubstrats verbunden ist.
Die thermoelektrische Komponente kann beispielsweise ein Kühlelement sein. Durch die Verbindung der thermoelektrischen Komponente mittels des Verbindungselements mit der Versorgungsleitung des Substrats kann eine thermische Trennung vom übrigen Bauelementesubstrat erzielt werden. Zudem können Längenänderungen, insbesondere thermisch bedingte Längenänderungen, durch das Verbindungselement ausgeglichen werden. Die Lebensdauer der Verbindung und somit der gesamten
Anordnung kann dadurch verlängert werden.
Denkbar ist auch, dass das Verbindungselement als Kupferplättchen ausgebildet ist oder ein solches umfasst. Ein Kupferplättchen weist einen geringen elektrischen Widerstand auf, sodass nur ein geringe elektrische - und damit auch thermische - Verlustleistung im Verbindungselement während des Betriebs der thermoelektrischen Komponente erzeugt wird.
Insbesondere kann die thermoelektrische Komponente als Peltier-Element ausgebildet sein oder ein solches umfassen. Mittels eines Peltier-Elements kann eine besonders hohe Kühlleistung bereitgestellt werden. Ein Peltier- Element ermöglicht es ferner, die Kühlleistung auf besonders einfache Weise zu steuern. Beispielsweise kann die Kühlleistung in Abhängigkeit einer thermischen Leistung eines zu kühlenden Bauelements geregelt werden.
Durch geeignete Polung des an das Peltier-Element angelegten
Versorgungsstroms kann das Peltier-Element auch als Heiz- und/oder Temperierelement betrieben werden. Somit ist es nicht nur möglich, Kühlleistung bereitzustellen, sondern auch, beispielsweise zu
Standardisierungszwecken, eine Temperaturstabilisierung zu erreichen.
Vorzugsweise kann die thermoelektrische Komponente als Halbleiter Peltier-Element aufgebaut sein. Dazu kann es ein oder mehrere n- bzw. p-dotierte Bereiche aufweisen.
Auch kann vorgesehen sein, dass an und/oder in dem
Bauelementesubstrat mindestens ein Halbleiterbauelement, insbesondere eine LED oder Laserdioden, angeordnet ist, welches thermisch mit der thermoelektrischen Komponente verbunden ist. Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement in einem, vorzugsweise thermisch leitenden, Sockel aufgenommen sein. Der Sockel kann dann die thermoelektrische
Komponente kontaktieren. Elektronische Hochleistungsschaltungen weisen oftmals einen besonders hohen Kühlbedarf auf. Insbesondere bei Beleuchtungsanwendungen, bei denen (Hochleistungs-)LEDs oder Laserdioden zur Anwendung kommen, bedarf es regelmäßig besonders hoher Kühlleistungen. Es hat sich gezeigt, dass für derartig hohe Kühlleistungen bisher übliche Inlays, beispielsweise Kupfer-Inlays, nicht ausreichen, sondern dass es aktiver elektrischer
Kühlelemente, beispielsweise eines Peltier-Elements und/oder eines großen Kühlkörpers oder eines Lüfters bedarf. Durch die thermische Verbindung der thermoelektrischen Komponente mit dem
Halbleiterbauelement kann der Wärmetransport weiter verbessert und Kühleinrichtungen einfacher gestaltet werden.
Die thermoelektrische Komponente und das Halbleiterbauelement können sich direkt und/oder indirekt, insbesondere flächig, kontaktieren. Zwischen den Beiden kann eine Isolationsschicht, beispielsweise Lötstopplack, und/oder Wärmeleitmaterial, beispielsweise Wärmeleitpaste, angeordnet bzw. aufgebracht sein.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementesubstrats mit wenigstens einer in das Bauelementesubstrat integrierten thermoelektrischen Komponente, insbesondere eines erfindungsgemäßen Bauelementesubstrats, wobei vor Abschluss der Herstellung des übrigen Bauelementesubstrats die thermoelektrische Komponente in das Bauelementesubstrat integriert, insbesondere eingepresst, wird.
Ist beispielsweise das Bauelementesubstrat eine Leiterplatte und die thermoelektrische Komponente ein Peltier-Element, so wird also vor Abschluss der Herstellung der übrigen Leiterplatte das Peltier-Element in die Leiterplatte integriert, insbesondere kann es in diese eingepresst werden. Die Integration der thermoelektrischen Komponente kann somit bereits in einem frühen Herstellungsstadium der Leiterplatte geschehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn wenigstens eine Metallisierungsschicht des Bauelementesubstrats nach Integration der thermoelektrischen
Komponente strukturiert wird. Die Metallisierungsschicht kann
insbesondere als Kupferschicht ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Strukturierung der Metallisierungsschicht erfolgen, wenn die
thermoelektrische Komponente bereits in das Bauelementesubstrat eingebaut ist. Somit kann das Peltier-Element mit der zunächst
unstrukturierten Metallisierungsschicht verbunden werden, anstatt - wie bisher üblich - mit einer bereits vorstrukturierten Leiterbahn des
Bauelementesubstrats. Dadurch können beispielsweise Anforderungen an die Positioniergenauigkeit beim Einbau des Peltier-Elements reduziert werden. Die Verbindung der thermoelektrischen Komponente bzw. des Peltier-Elements mit der Metallisierungsschicht kann verbessert werden. Insbesondere zur langzeitstabilen Kompensation thermischer
Längenausdehnung kann die thermoelektrische Komponente zur
Energieversorgung mittels wenigstens eines plättchen- oder drahtförmigen Verbindungselements mit einer Versorgungsleitung des
Bauelementesubstrats verbunden werden.
Denkbar ist auch, dass zur Verbindung das Verbindungselement in das Bauelementesubstrat eingepresst, mit diesem, vorzugsweise elektrisch, verschwelet und/oder mit diesem verklebt und galvanisch und/oder mittels Lötens mit der Versorgungsleitung elektrisch verbunden wird.
Dadurch lassen sich besonders dauerhafte Verbindungen erzielen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verbindung des Verbindungselements vor Abschluss des Herstellprozesses des übrigen Bauelementesubstrats erfolgt. Somit können weitere Schritte des Herstellprozesses auch auf die thermoelektrische Komponente und/oder das Verbindungselement angewandt werden. Beispielsweise kann über das Verbindungselement und/oder die thermoelektrische Komponente ein Lötstopplack und/oder wenigstens eine weitere Schutzschicht aufgebracht werden, ohne dass es eines separaten Herstellschrittes bedarf.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, sowie aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden.
Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein
Bauelementesubstrat;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zu Herstellung eines Bauelementesubstrats mit integrierter
thermoelektrischer Komponente.
Fig. 1 zeigt ein Bauelementesubstrat 10, das in diesem
Ausführungsbeispiel als Leiterplatte ausgebildet ist. In dem
Bauelementesubstrat ist eine thermoelektrische Komponente 12
angeordnet. Die thermoelektrische Komponente 12 ist in eine das
Bauelementesubstrat 10 vollständig durchgreifende Ausnehmung 13 eingepresst. Sie ist von einem mehrlagigen Leiterplattenaufbau 14 umgeben.
An einer Oberseite O des Bauelementesubstrats 10 bzw. der
thermoelektrischen Komponente 12 ist ein Halbleiterbauelement 16, in diesem Fall eine Hochleistungs-LED, in einem Sockel 17 angeordnet. Der Sockel 17 ist aus wärmeleitendem Material gebildet. Das
Halbleiterbauelement 16 kontaktiert über den Sockel 17 die
thermoelektrische Komponente 12 flächig. Die Bauteile 12, 16, 17 sind somit thermisch miteinander verbunden.
Der Leiterplattenaufbau 14 weist mehrere Prepreg-Schichten 18 auf. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Leiterplattena ufba u 14 drei Prepreg- Schichten 18 auf, wobei je nach Anwendungsfall auch mehr oder weniger Schichten vorgesehen sein können.
Die Prepreg-Schichten 18 wechseln sich mit Metallisierungsschichten 20 ab. Insbesondere sind die Metallisierungsschichten 20 als Kupferschichten ausgebildet. Einzelne der Metallisierungsschichten 20 sind im in der Fig. 1 dargestellten Zustand des Bauelementesubstrats 10 strukturiert.
Außenseitig des Bauelementesubstrats 10 sind ferner Lötstopplack- Schichten 22 aufgebracht. Zu erkennen sind des Weiteren zwei Vias 24, durch die mehrere der Metallisierungsschichten 20 miteinander elektrisch verbunden werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die thermoelektrische Komponente 12 als Halbleiter-Peltier-Element ausgebildet. Dazu weist die
thermoelektrische Komponente 12 eine Vielzahl abwechselnd n- bzw.
p-dotierter Halbleiterschichten 26 auf. Die Halbleiterschichten 26 sind sequenziell miteinander elektrisch verbunden, Wird somit die thermoelektrische Komponente 12 geeignet bestromt, kommt es zu einer Kühlung im Bereich der der Oberseite 0 zugewandten Seite der
thermoelektrischen Komponente 12 und somit des Halbleiterbauelements 16 bzw. des Sockels 17
In diesem Ausführungsbeispiel ist die thermoelektrische Komponente 12 im Bereich der Oberseite 0 mit dem Leiterplattenaufbau 14 verbunden. Der elektrische Anschluss der thermoelektrischen Komponente 12 erfolgt auf der der Oberseite gegenüberliegenden Seite des Leiterplattenaufbaus 14 mittels Verbindungselementen 28. Die Verbindungselemente 28 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Kupferplättchen ausgebildet. Sie sind mit auf dem Leiterplattenaufbau 14 ausgebildeten Versorgungsleitungen 29 elektrisch leitend verbunden. Die Versorgungsleitungen 29 sind dabei durch Strukturierung einer der Metallisierungsschichten 20 gebildet. Die Versorgungsleitungen 29 sind mit den Verbindungselementen 28 mittels Lötungen 30 verbunden. Etwaige Bewegungen der thermoelektrischen Komponente 12,
insbesondere aufgrund thermischer Längenänderungen, können somit durch die Verbindungselemente 28 abgefangen bzw. ausgeglichen werden.
Anhand der Fig. 2 wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zur
Herstellung eines Bauelementesubstrats näher erläutert. Zum besseren Verständnis werden parallel zur Bezeichnung der Komponenten des
Bauelementesubstrats die Bezugszeichen der Fig, 1 verwendet. In einem ersten Schritt 100 wird ein erster Teil des Leiterplattenaufbaus 14, insbesondere mit den Prepreg-Schichten 18, den Vias 24 und den innenliegenden Metallisierungsschichten 20, beispielsweise mittels
Belichtungs- und Ätztechnologien, Bohren und/oder Fräsen hergestellt, Außenseitig werden die verbleibenden Metallisierungsschichten 20,
- vorerst unstrukturiert - aufgebracht. Die Ausnehmung 13 wird mittels Bohren und/oder Fräsen hergestellt.
In einem nächsten Schritt 102 wird die thermoelektrische Komponente 12, in diesem Fall ein Halbleiter-Peltier-Element, in die Ausnehmung 13 eingepresst.
In einem darauffolgenden Schritt 104 werden die Verbindungsplättchen 28 randseitig der thermoelektrischen Komponente 12 auf diese sowie auf die der Oberseite 0 gegenüberliegenden Seite des Leiterplattenaufbaus 14 aufgepresst. An den Lötungen 30 werden diese mit jeweils einer der Metallisierungsschichten 20 verlötet. Zudem werden die
Verbindungselemente 28 elektrisch mit der thermoelektrischen
Komponente, beispielsweise mittels Galvanik oder elektrischem
Schweißen, verschweißt. In diesem Schritt erfolgt somit ein elektrischer Anschluss der thermoelektrischen Komponente 12 an jeweils einer der der Oberseite 0 gegenüberliegenden Metallisierungsschichten 20.
In einem darauffolgenden Schritt 106 werden nun die außenseitigen Metallisierungsschichten 20, beispielsweise mittels Belichtungs- und Ätzprozessen, strukturiert. Anschließend werden nach Bedarf die
Lötstopplack-Schichten 22 sowie weitere Schutzschichten auf den
Leiterplattenaufbau 14 sowie auf die thermoelektrische Komponente 12 nach Bedarf aufgebracht. Somit steht nun das Bauelementesubstrat 10 zur weiteren Verwendung zur Verfügung. Beispielsweise kann in einem Bestückungsschritt 108 das Bauelementesubstrat 10 mit weiteren Bauelementen, insbesondere dem Sockel 17 mit dem Halbleiterbauelement 16, bestückt werden.

Claims

P-g-LS all n-S
1. Bauelementesubstrat (10), insbesondere eine Leiterplatte, mit
wenigstens einer in das Bauelementesubstrat (10) integrierten thermoelektrischen Komponente (12),
dadurch gekennzeichnet,
dass die thermoelektrische Komponente (12) zur Energieversorgung mittels wenigstens eines plättchen- oder drahtförmigen
Verbindungselements (28) mit einer Versorgungsleitung (29) des Bauelementesubstrats (10) verbunden ist.
2. Bauelementesubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (28) als Kupferplättchen ausgebildet ist oder ein solches umfasst.
3. Bauelementesubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Komponente (12) als Peltier-Element ausgebildet ist oder ein solches umfasst.
4. Bauelementesubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an und/oder in dem
Bauelementesubstrat (10) mindestens ein Halbleiterbauelement (16), Insbesondere eine LED oder OLED, angeordnet ist, welches thermisch mit der thermoelektrischen Komponente (12) verbunden ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Bauelementesubstrats (10) mit
wenigstens einer in das Bauelementesubstrat (10) integrierten thermoelektrischen Komponente (12), insbesondere eines
Bauelementesubstrats (10) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor Abschluss der Herstellung des übrigen Bauelementesubstrats (10) die thermoelektrische Komponente (12) in das
Bauelementesubstrat (10) integriert, insbesondere eingepresst, wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Metallisierungsschicht (20) des Bauelementesubstrats (10) nach Integration der thermoelektrischen Komponente (12) strukturiert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Komponente (12) zur Energieversorgung mittels wenigstens eines plättchen- oder
drahtförmigen Verbindungselements (28) mit einer Versorgungsleitung des Bauelementesubstrats (10) verbunden wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung das Verbindungselement (28) in das
Bauelementesubstrat (10) eingepresst, mit diesem, vorzugsweise elektrisch, verschweißt und/oder mit diesem verklebt und galvanisch und/oder mittels Lötens mit der Versorgungsleitung (29) elektrisch verbunden wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Verbindungselements (28) vor Abschluss des Herstell Prozesses des übrigen Bauelementesubstrats (10) erfolgt.
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