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DE102004058806B4 - A method of fabricating circuit patterns on a heat sink and circuit structure on a heat sink - Google Patents

A method of fabricating circuit patterns on a heat sink and circuit structure on a heat sink Download PDF

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DE102004058806B4
DE102004058806B4 DE102004058806A DE102004058806A DE102004058806B4 DE 102004058806 B4 DE102004058806 B4 DE 102004058806B4 DE 102004058806 A DE102004058806 A DE 102004058806A DE 102004058806 A DE102004058806 A DE 102004058806A DE 102004058806 B4 DE102004058806 B4 DE 102004058806B4
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layer
heat sink
circuit structure
electrically conductive
layers
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Reinhold Danner
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Sven Kittelberger
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Schaltungsstrukturen auf einem Kühlkörper (1), wobei direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schicht (2) und mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schicht (3) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die dass die für eine Montage von Leistungshalbleitern vorgesehenen Bereiche mit einer reduzierten Anzahl an Schichtebenen ausgebildet werden.Method for producing circuit structures on a heat sink (1), wherein at least one specifically structured, electrically insulating layer (2) and at least one specifically structured, electrically conductive layer (3) are formed on the heat sink (1), characterized in that the areas provided for a mounting of power semiconductors are formed with a reduced number of layer planes.

Description

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsstruktur auf einem Kühlkörper und ein Verfahren zur Herstellung von Schaltungsstrukturen auf einem Kühlkörper, insbesondere für einen Aufbau von elektronischen Schaltungen mit erhöhten Verlustleistungen.The present invention relates to a circuit structure on a heat sink and to a method for producing circuit structures on a heat sink, in particular for a construction of electronic circuits with increased power losses.

Obwohl auf beliebige elektronische Schaltungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf Halbleiterschaltungen mit erhöhten Verlustleistungen näher erläutert.Although applicable to any electronic circuits, the present invention as well as the underlying problems with respect to semiconductor circuits with increased power losses are explained in more detail.

In elektronischen Steuergeräten werden im Allgemeinen Halbleiter bzw. Leistungshalbleiter mit erhöhten Verlustleistungen zusammen mit mehreren passiven Bauelementen auf ein anwendungsspezifisch strukturiertes Leistungssubstrat mittels einer Lötverbindung oder dergleichen aufgebracht. Als Leistungssubstrat wird gemäß dem Stand der Technik beispielsweise ein so genanntes DBC-Keramiksubstrat verwendet, beispielsweise bestehend aus einer Al2O3-Keramik. Die Al2O3-Keramik weist an beiden Seiten beispielsweise eine etwa 300 μm dicke Kupferschicht auf.In electronic control devices, semiconductors or power semiconductors with increased power losses are generally applied together with a plurality of passive components to an application-specific structured power substrate by means of a solder connection or the like. As a power substrate, for example, a so-called DBC ceramic substrate is used according to the prior art, for example consisting of an Al 2 O 3 ceramic. The Al 2 O 3 ceramic has, for example, an approximately 300 μm thick copper layer on both sides.

Eine derartige Keramik stellt die elektrische Isolation von Leiterbahnen auf der Oberseite sicher. Ferner wird die thermische Ankopplung der auf die Leiterbahnen aufgelöteten Leistungshalbleiter zur Unterseite hin gewährleistet. Die Anschlüsse der Leistungshalbleiter werden durch Dickdraht-Bondverbindungen mit den Leiterbahnen des Leistungssubstrats kontaktiert. Für eine Abführung der im Betrieb entstehenden Verlustwärme wird das Leistungssubstrat im Allgemeinen auf einen anwendungsspezifischen Kühlkörper mittels eines geeigneten Klebstoffs geklebt.Such a ceramic ensures the electrical insulation of tracks on the top. Furthermore, the thermal coupling of the soldered on the conductor tracks power semiconductors is ensured to the bottom. The terminals of the power semiconductors are contacted by thick wire bonding to the tracks of the power substrate. To dissipate the heat loss generated during operation, the power substrate is generally adhered to an application-specific heat sink by means of a suitable adhesive.

An diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass der für den Klebevorgang verendete Klebstoff einen unerwünschten thermischen Widerstand darstellt, welcher die Wärmeableitung nachteilig beeinflusst.However, this prior art approach has proved to be disadvantageous in that the adhesive used for the bonding process represents an undesirable thermal resistance which adversely affects heat dissipation.

Daher findet sich im Stand der Technik der Ansatz, für Schaltungen mittlerer Verlustleistung isolierte Metallsubstrate (IMS) zu verenden. Die Schichtdicken der aufgebrachten Leiterbahnen sind dabei relativ dünn ausgebildet, beispielsweise weniger als 300 μm.Thus, the prior art approach is to end metal isolated (IMS) substrates isolated for medium power dissipation circuits. The layer thicknesses of the applied conductor tracks are formed relatively thin, for example, less than 300 microns.

Ferner ist aus dem Stand der Technik ein Beschichtungsverfahren zur Beschichtung von metallischen oder isolierenden Oberflächen bekannt, bei denen das zur Beschichtung vorgesehene Material mit hoher kinetischer Energie auf den zu beschichtenden Körper aufgebracht wird, um somit an diesen Stellen einen festen Verbund des zu beschichtenden Körpers mit dem Beschichtungsmaterial zu schaffen.Furthermore, a coating method for coating metallic or insulating surfaces is known from the prior art, in which the material provided for coating with high kinetic energy is applied to the body to be coated, thus at these points a solid composite of the body to be coated to create the coating material.

An den obigen Ansätzen hat sich jedoch die Tatsache als nachteilig herausgestellt, dass diese Herstellungsverfahren zum Herstellen von Schaltungsstrukturen allesamt aufwändig und kostenintensiv sind und keine optimale Wärmeableitung gewährleisten.However, the above approaches have proved to be disadvantageous in that these fabrication processes for fabricating circuit structures are all cumbersome and costly and do not provide optimal heat dissipation.

Aus der DE 690 03 092 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Trägers für elektronische Bauteile bekannt. Dabei werden verschiedene strukturierte Schichten von leitfähigen und isolierenden Materialien auf den Träger aufgebracht. Die Schichten umfassen Keramikschichten und Metallschichten, die mittels Plasmaspritzverfahren erzeugt werden.From the DE 690 03 092 T2 For example, a method of manufacturing a metal carrier for electronic components is known. Different structured layers of conductive and insulating materials are applied to the carrier. The layers include ceramic layers and metal layers that are produced by plasma spraying.

Aus der US 2002/0129957 A1 ist eine Leiterplatte mit darauf angeordneten Elektronikbauteilen bekannt, bei der zwecks des EMV-Schutzes der Schaltung leitende und isolierende Beschichtungen auf der Leiterplatte und den Bauteilen vorgesehen sind.From the US 2002/0129957 A1 is a printed circuit board with electronic components arranged thereon, in which for the purpose of EMC protection of the circuit conductive and insulating coatings are provided on the circuit board and the components.

Die DE 102 38 975 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung für ein wärmeempfindliches elektronisches Bauelement. Dazu ist eine Wärmeverteilerplatte aus Kupfer auf dem Bauelement vorgesehen. Die Anbindung des Bauelements an die Wärmeverteilerplatte erfolgt über eine Doppelschicht aus einem Lötmaterial und einer mittels Kaltgasspritzen angeformten Verbundschicht.The DE 102 38 975 A1 describes a cooling device for a heat-sensitive electronic component. For this purpose, a heat spreader plate made of copper is provided on the component. The connection of the component to the heat spreader plate via a double layer of a brazing material and integrally formed by means of cold gas spraying composite layer.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung allgemein die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsstruktur und ein Herstellungsverfahren für eine derartige Schaltungsstruktur zu schaffen, welche auf einfache und kostengünstige Weise eine verbesserte Wärmeableitung der Verlustwärme gewährleistet.Thus, the present invention is generally based on the object to provide a circuit structure and a manufacturing method for such a circuit structure, which ensures a simple and cost-effective manner improved heat dissipation of the heat loss.

VORTEILE DER ERFINDUNG ADVANTAGES OF THE INVENTION

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensseitig durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 und vorrichtungsseitig durch die Schaltungsstruktur mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 10 gelöst.This object is achieved on the method side by the method with the features according to claim 1 and device side by the circuit structure with the features according to claim 10.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schicht und mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schicht direkt auf dem Kühlkörper additiv ausgebildet werden.The idea on which the present invention is based is that at least one specifically structured, electrically insulating layer and at least one specifically structured, electrically conductive layer are formed additively directly on the heat sink.

Somit weist die vorliegende Erfindung gegenüber den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass aufgrund des Fehlens eines Trägersubstrates der Schichtaufbau zum Bilden einer leistungselektronischen Schaltung erheblich reduziert werden kann, so dass die thermische Ankopplung der Leistungshalbleiter an den Kühlkörper wesentlich verbessert wird.Thus, over the prior art approaches, the present invention has the advantage that due to the lack of a carrier substrate, the layer structure for forming a power electronic circuit can be significantly reduced so that the thermal coupling of the power semiconductors to the heat sink is substantially improved.

Ferner weist die vorliegende Erfindung den Vorteil auf, dass die Kosten der Schaltungsanordnung bzw. der leistungselektronischen Schaltung reduziert werden, da im Vergleich zu DBC-Keramiksubstraten auf ein Aufkleben der DBC-Keramiksubstrate auf den Kühlkörper des Steuergerätes verzichtet werden kann. Somit können zusätzliche Schichten, die zur Fixierung vorgefertigter Substrate erforderlich sind, beispielsweise Klebstoff- oder Lötschichten, vorteilhaft entfallen. Dadurch wird zusätzlich der Wärmewiderstand eines derartigen Schaltungsaufbaus erheblich verringert.Furthermore, the present invention has the advantage that the cost of the circuit or the power electronic circuit can be reduced, since it is possible to dispense with bonding of the DBC ceramic substrates to the heat sink of the control unit in comparison with DBC ceramic substrates. Thus, additional layers, which are required for fixing prefabricated substrates, such as adhesive or solder layers, advantageously eliminated. As a result, in addition, the thermal resistance of such a circuit structure is significantly reduced.

Durch die spezifische Strukturierung der einzelnen Schichten direkt auf dem Kühlkörper können ferner lediglich die Schichten auf dem Kühlkörper aufgebracht werden, welche für die Funktionalität der geplanten Schaltung unbedingt notwendig sind. Dadurch kann der Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten sowie die Aufbaudicke vorteilhaft verringert werden.Furthermore, due to the specific structuring of the individual layers directly on the heat sink, only the layers which are absolutely necessary for the functionality of the planned circuit can be applied to the heat sink. Thereby, the production cost and the manufacturing cost and the build-up thickness can be advantageously reduced.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens sowie der im Anspruch 10 angegebenen Schaltungsstruktur.In the dependent claims are advantageous developments and improvements of the method specified in claim 1 and the circuit structure specified in claim 10.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht als Keramikschicht und die mindestens eine elektrisch leitende Schicht als Kupferschicht ausgebildet. Selbstverständlich können die einzelnen Schichten auch aus anderen geeigneten Materialien hergestellt werden.According to a preferred development, the at least one electrically insulating layer is formed as a ceramic layer and the at least one electrically conductive layer is formed as a copper layer. Of course, the individual layers can also be made of other suitable materials.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder eines Kaltgas-Spritzverfahrens direkt auf dem Kühlkörper additiv aufgebracht. Diese Verfahren stellen gängige und kostengünstige Verfahren dar, welche eine exakte spezifische Strukturierung der einzelnen Schichten ermöglichen. Die mindestens eine aufgebrachte elektrisch isolierende Schicht und/oder die mindestens eine aufgebrachte elektrisch leitende Schicht werden vorzugsweise mittels Masken, beispielsweise Blenden oder Schablonen, strukturiert. Diese strukturierten Schichten dienen als Schaltungsstrukturen für den Aufbau von insbesondere elektronischen Schaltungen mit erhöhten Verlustleistungen.According to a further preferred refinement, the at least one electrically insulating layer and / or the at least one electrically conductive layer are applied additively directly to the heat sink by means of a thermal spraying method or a cold gas spraying method. These methods represent common and inexpensive methods that allow an exact specific structuring of the individual layers. The at least one applied electrically insulating layer and / or the at least one applied electrically conductive layer are preferably structured by means of masks, for example diaphragms or stencils. These structured layers serve as circuit structures for the construction of in particular electronic circuits with increased power losses.

Alternativ werden die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht mittels eines Präzisions-Sprühverfahrens direkt auf dem Kühlköper additiv strukturiert aufgebracht. Durch das sequentielle Sprühen von elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden Materialien bzw. Schichten mit unterschiedlichen Layouts können elektronische Mehrlagen-Schaltungen mit Verbindungen zwischen übereinander liegenden Ebenen auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden.Alternatively, the at least one electrically insulating layer and / or the at least one electrically conductive layer are applied in an additively structured manner directly on the heat sink by means of a precision spraying process. By sequentially spraying electrically conductive and electrically insulating materials or layers having different layouts, multi-layer electronic circuits having interconnections between superimposed planes can be easily and inexpensively manufactured.

Vorteilhaft werden mehrere spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schichten und mehrere spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schichten direkt auf dem Kühlköper für einen Aufbau von elektronischen Schaltungen mit erhöhter Verlustleistung ausgebildet. Durch eine sequentielle Ausbildung dieser Schichten mit unterschiedlichen Layouts können beispielsweise elektronische Mehrlagenschaltungen mit elektronischen Verbindungen zwischen übereinander liegenden Schichtebenen strukturiert gebildet werden.Advantageously, a plurality of specifically structured, electrically insulating layers and a plurality of specifically structured, electrically conductive layers are formed directly on the heat sink for a construction of electronic circuits with increased power loss. By sequentially forming these layers with different layouts, for example, electronic multilayer circuits with electronic connections between superimposed layer planes can be formed in a structured manner.

Erfindungsgemäß werden die für eine Montage von Leistungshalbleitern vorgesehenen Bereiche mit einer reduzierten Anzahl an Schichtebenen ausgebildet. Dadurch wird insbesondere im Bereich von vorgesehenen Leistungshalbleitern eine optimale Wärmeableitung geschaffen.According to the invention, the areas provided for mounting power semiconductors are formed with a reduced number of layer planes. As a result, optimum heat dissipation is created, in particular in the area of intended power semiconductors.

Die einzelnen Schichten werden gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel derart dimensioniert und aus einem derartigen Material hergestellt, dass eine vorbestimmte Temperaturwechselbeständigkeit und/oder ein vorbestimmter Wärmewiderstand der hergestellten Schaltungsstruktur anwendungsspezifisch optimiert werden. The individual layers are dimensioned according to a further preferred embodiment and made of such a material that a predetermined thermal shock resistance and / or a predetermined thermal resistance of the circuit structure produced are optimized application specific.

ZEICHNUNGENDRAWINGS

Im Folgenden werden besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert.In the following, particularly advantageous embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the figures of the drawing.

Von den Figuren zeigen:From the figures show:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer Schaltungsstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; 1 a schematic cross-sectional view of a circuit structure according to a first embodiment;

2 eine schematische Querschnittsansicht einer Schaltungsstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und 2 a schematic cross-sectional view of a circuit structure according to a second embodiment; and

3 eine schematische Querschnittsansicht einer Schaltungsstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, das die Erfindung zeigt. 3 a schematic cross-sectional view of a circuit structure according to a third embodiment, showing the invention.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures, the same reference numerals designate the same or functionally identical components, unless indicated otherwise.

1 illustriert eine schematische Querschnittsansicht einer Schaltungsstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Wie in 1 ersichtlich ist, ist die Schaltungsstruktur erfindungsgemäß direkt auf einem Kühlkörper 1 ausgebildet. 1 11 illustrates a schematic cross-sectional view of a circuit structure according to a first embodiment. As in 1 it can be seen, the circuit structure according to the invention is directly on a heat sink 1 educated.

Der Kühlkörper 1 besteht vorzugsweise aus einem Material mit einem sehr hohen Wärmeleitkoeffizienten, beispielsweise Aluminium. Die Schaltungsstruktur hingegen besteht aus mehreren spezifisch strukturierten, elektrisch isolierenden Schichten 2 und mehreren spezifisch strukturierten, elektrisch leitenden Schichten 3, welche vorzugsweise sequentiell direkt auf dem Kühlkörper 1 mittels geeigneter Verfahren additiv gebildet werden.The heat sink 1 preferably consists of a material with a very high coefficient of thermal conductivity, for example aluminum. The circuit structure, however, consists of several specifically structured, electrically insulating layers 2 and a plurality of specifically patterned, electrically conductive layers 3 which preferably sequentially directly on the heat sink 1 be formed additively by suitable methods.

Beispielsweise können verschiedene gängige thermische Spritzverfahren oder Kaltgas-Spritzverfahren verwendet werden. Mit derartigen Verfahren sind beispielsweise sowohl Kupferschichten als elektrische Leiter als auch Keramikschichten als Isolationsschichten direkt auf dem Kühlkörper 1 additiv aufbringbar. Bei derartigen Spritzverfahren ist eine Strukturierung der aufgebrachten Schichten durch beispielsweise einen Einsatz von Masken, insbesondere Blenden oder Schablonen, vorteilhaft. Hierbei handelt es sich um hinlänglich bekannte Verfahren, so dass im Folgenden auf eine ausführliche Beschreibung dieser verzichtet wird.For example, various common thermal spraying or cold gas spraying methods can be used. With such methods, for example, both copper layers as electrical conductors and ceramic layers as insulating layers directly on the heat sink 1 additively applicable. In such spraying methods, structuring of the applied layers by, for example, the use of masks, in particular apertures or stencils, is advantageous. These are well-known methods, so that in the following a detailed description thereof is omitted.

Alternativ ist die Strukturierung der einzelnen Schichten 2 und 3 auch durch geeignete Präzisions-Sprühverfahren durchführbar. Dabei ist bei dem Präzisions-Sprühverfahren vorzugsweise ein Sprühstrahl mit einer geringen Strahlaufweitung zu verwenden. Durch das sequentielle Sprühen von elektrisch leitenden Materialien 3 und isolierenden Materialien 2 mit unterschiedlichen Layouts können auf einfache Weise elektronische Mehrlagen-Schaltungen mit Verbindungen zwischen übereinander liegenden Lagen, d. h. mit so genannten Durchkontaktierungen 30, hergestellt werden.Alternatively, the structuring of the individual layers 2 and 3 also by suitable precision spraying feasible. In the case of the precision spraying method, it is preferable to use a spray jet with a small beam widening. By the sequential spraying of electrically conductive materials 3 and insulating materials 2 With different layouts can easily electronic multilayer circuits with connections between superimposed layers, ie with so-called vias 30 , getting produced.

Wie in 1 ferner ersichtlich ist, ist vorzugsweise zumindest ein nach außen verlängerter Bereich 31 einer elektrisch leitenden Schicht 3 vorgesehen, welche als Außenkontaktierungsflächen 31 für einen externen elektrischen Anschluss der elektrisch leitenden Schicht bzw. Schichten dient.As in 1 is also apparent, is preferably at least one outwardly extended area 31 an electrically conductive layer 3 provided, which as Außenkontaktierungsflächen 31 serves for an external electrical connection of the electrically conductive layer or layers.

2 illustriert eine schematische Querschnittsansicht einer auf einem Kühlkörper 1 direkt aufgebrachten Schaltungsstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. 2 illustrates a schematic cross-sectional view of a on a heat sink 1 directly applied circuit structure according to a second embodiment.

Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die vorliegende Schaltungsstruktur gemäß 2 eine direkt auf dem Kühlkörper 1 aufgebrachte zusätzliche elektrisch leitende Schicht 4 auf. Somit können durch die vorliegende Erfindung auf einfache und kostengünstige Weise nach Belieben spezifisch strukturierte mehrlagige Strukturen geschaffen werden, welche entweder miteinander elektrisch verbundene Leitungsschichten 3 oder davon separat angesteuerte elektrisch leitende Schichten 4 aufweisen.In contrast to the first embodiment according to 1 indicates the present circuit structure according to 2 one directly on the heat sink 1 applied additional electrically conductive layer 4 on. Thus, by the present invention in a simple and cost-effective manner may be specific at will structured multilayer structures are created, which either electrically interconnected conductive layers 3 or separately driven electrically conductive layers 4 exhibit.

3 illustriert eine schematische Querschnittsansicht einer auf einem Kühlkörper 1 direkt aufgebrachten Schaltungsstruktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, das die Erfindung zeigt. 3 illustrates a schematic cross-sectional view of a on a heat sink 1 directly applied circuit structure according to a third embodiment, showing the invention.

Im Unterschied zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen ist die Schaltungsstruktur gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an vorbestimmten Bereichen mit einer reduzierten Anzahl an Schichtlagen aus Leitungsschichten 3 und Isolationsschichten 2 ausgebildet.In contrast to the first two embodiments, the circuit structure according to the present embodiment is at predetermined areas with a reduced number of layer layers of conductive layers 3 and insulation layers 2 educated.

Im vorliegenden Beispiel gemäß 3 weist der rechte Bereich der Schaltungsstruktur lediglich drei Schichtebenen auf, wohingegen der linke Bereich vier Schichtebenen umfasst. Somit kann durch eine Montage der Leistungshalbleiter an den Montagestellen mit einer reduzierten Anzahl an Schichtlagen eine optimale Wärmeableitung über beispielsweise eine oder lediglich wenige Schichtlagen gewährleistet werden. Die Bereiche mit einer reduzierten Anzahl an Schichtlagen beschränken sich nicht nur auf den Randbereich der Schaltung, wie in 3 dargestellt ist, sondern können von mehrlagigen Strukturen teilweise oder vollständig umgeben sein. Dadurch können Ansteuer- und Auswerteschaltungen in unmittelbarer Nähe der Leistungshalbleiter angeordnet werden. Die vertiefte Anordnung der Leistungshalbleiter an den Montagestellen mit einer reduzierten Anzahl an Schichtlagen kann für eine einfache Verbindungstechnik vom Leistungshalbleiter zur Schaltungsstruktur genutzt werden.In the present example according to 3 For example, the right portion of the circuit structure has only three layer planes, whereas the left region has four layer planes. Thus, an optimal heat dissipation over, for example, one or only a few layer layers can be ensured by mounting the power semiconductors at the mounting sites with a reduced number of layer layers. The areas with a reduced number of layer layers are not limited to the edge area of the circuit, as in 3 but may be partially or completely surrounded by multilayer structures. As a result, drive and evaluation circuits can be arranged in the immediate vicinity of the power semiconductors. The recessed arrangement of the power semiconductors at the mounting locations with a reduced number of layer layers can be used for a simple connection technology from the power semiconductor to the circuit structure.

Somit schafft die vorliegende Erfindung eine vorteilhafte Schaltungsstruktur und ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen vorteilhaften Schaltungsstruktur, bei welcher die einzelnen elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Schichten spezifisch strukturiert direkt auf dem Kühlkörper additiv aufgebracht sind.Thus, the present invention provides an advantageous circuit structure and a method for producing such an advantageous circuit structure in which the individual electrically insulating and electrically conductive layers are specifically structured directly additively applied directly to the heat sink.

Durch den direkten Aufbau der Schaltungsstrukturen auf dem Kühlkörper kann der Wärmewiderstand erheblich reduziert werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei der Montage von Halbleitern mit erhöhter Verlustleistung und für Hochstrom-Leiterbahnen. Durch geeignete Abfolge der Materialschichten und Schichtdicken kann unter Berücksichtigung des Layouts die Beständigkeit des Gesamtaufbaus gegen Temperaturwechsel optimiert werden. Die Schichten können von ihrer Dicke derart dimensioniert und aus einem derartigen Material hergestellt werden, dass die aufgebrachte Schaltung die im Betrieb geforderte Zuverlässigkeit bezüglich beispielsweise einer Temperaturwechselbeständigkeit besitzt. Ein weiteres Kriterium für die Schichtdicke ist der Wärmewiderstand des Aufbaus, der ebenfalls anwendungsbezogen optimiert werden kann. Durch ein geeignetes Layout der aufgebrachten Schichten und durch einen Wechsel von elektrisch isolierenden und elektrisch leitfähigen Materialien bzw. Schichten lassen sich mehrlagige Schaltungsträger und auch Durchkontaktierungen zwischen den verschiedenen Ebenen bzw. Lagen realisieren, wie in den 1 bis 3 illustriert ist.Due to the direct structure of the circuit structures on the heat sink, the thermal resistance can be significantly reduced. This offers particular advantages in the assembly of semiconductors with increased power dissipation and for high current interconnects. By suitable sequence of the material layers and layer thicknesses, taking into account the layout, the resistance of the overall structure to temperature changes can be optimized. The layers can be dimensioned by their thickness and made of such a material, that the applied circuit has the required reliability in operation, for example, a thermal shock resistance. Another criterion for the layer thickness is the thermal resistance of the structure, which can also be optimized application-related. By a suitable layout of the applied layers and by a change of electrically insulating and electrically conductive materials or layers, multi-layer circuit carriers and also plated-through holes between the different planes or layers can be realized, as in the US Pat 1 to 3 is illustrated.

Ein weiterer Vorteil des direkten, additiven Aufbaus von Schaltungsstrukturen auf Kühlkörpern bestehe in der freien anwendungsspezifischen Gestaltung des Layouts der einzelnen Schichten, wodurch keine Rücksicht auf die Gestaltung eines geeigneten Mehrfachnutzens auf einem Großsubstrat genommen werden muss, im Gegensatz zu der DBC-Substrattechnik gemäß dem Stand der Technik.A further advantage of the direct, additive construction of circuit structures on heat sinks is the free application-specific layout of the individual layers, which does not have to be taken into account for designing a suitable multiple use on a large substrate, in contrast to the DBC substrate technology according to the prior art of the technique.

Bedingt durch die Tatsache, dass die anwendungsspezifischen Schaltungsstrukturen direkt auf dem Kühlköper aufgebaut werden, entfällt das DBC-Einzelsubstrat und der Prozess sowie das Material für das Aufkleben der DBC-Substrate auf dem Kühlkörper, im Unterschied zu den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Kühlkörper 2 elektrisch isolierende Schichten 3 elektrisch leitende Schichten 4 zusätzliche elektrisch leitende Schicht 30 Durchkontaktierungen 31 Außenkontaktierungsfläche Due to the fact that the application specific circuit structures are built directly on the heat sink, the DBC single substrate and the process as well as the material for adhering the DBC substrates to the heat sink are eliminated, unlike the approaches of the prior art. LIST OF REFERENCE NUMBERS 1 heatsink 2 electrically insulating layers 3 electrically conductive layers 4 additional electrically conductive layer 30 vias 31 Außenkontaktierungsfläche

Claims (14)

Verfahren zur Herstellung von Schaltungsstrukturen auf einem Kühlkörper (1), wobei direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schicht (2) und mindestens eine spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schicht (3) ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die dass die für eine Montage von Leistungshalbleitern vorgesehenen Bereiche mit einer reduzierten Anzahl an Schichtebenen ausgebildet werden.Method for producing circuit structures on a heat sink ( 1 ), wherein directly on the heat sink ( 1 ) additively at least one specifically structured, electrically insulating layer ( 2 ) and at least one specifically structured, electrically conductive layer ( 3 ), characterized in that the areas provided for mounting power semiconductors are formed with a reduced number of layer planes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (2) als Keramikschicht ausgebildet wird.Method according to claim 1, characterized in that the at least one electrically insulating layer ( 2 ) is formed as a ceramic layer. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (3) als Kupferschicht ausgebildet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one electrically conductive layer ( 3 ) is formed as a copper layer. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (2) und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (3) mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder eines Kaltgas-Spritzverfahrens direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv aufgebracht werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one electrically insulating layer ( 2 ) and / or the at least one electrically conductive layer ( 3 ) by means of a thermal spraying method or a cold gas injection method directly on the heat sink ( 1 ) are applied additive. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine aufgebrachte, elektrisch isolierende Schicht (2) und/oder die mindestens eine aufgebrachte elektrisch leitende Schicht (3) mittels Masken, beispielsweise Blenden oder Schablonen, strukturiert werden.A method according to claim 4, characterized in that the at least one applied, electrically insulating layer ( 2 ) and / or the at least one applied electrically conductive layer ( 3 ) are structured by means of masks, for example diaphragms or stencils. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (2) und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (3) mittels eines Präzisions-Sprühverfahrens direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv strukturiert aufgebracht werden.Method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one electrically insulating layer ( 2 ) and / or the at least one electrically conductive layer ( 3 ) by means of a precision spray method directly on the heat sink ( 1 ) are applied in an additive structured manner. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrisch isolierende Schichten (2) und mehrere elektrisch leitende Schichten (3) sequentiell mit unterschiedlichen Layouts zum Bilden von beispielsweise elektronischen Mehrlagenschaltungen mit elektronischen Verbindungen (30) zwischen übereinander liegenden Schichtebenen strukturiert gebildet werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a plurality of electrically insulating layers ( 2 ) and several electrically conductive layers ( 3 ) sequentially with different layouts for forming, for example, electronic multi-layer circuits with electronic connections ( 30 ) are formed in a structured manner between superimposed layer planes. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere spezifisch strukturierte, elektrisch isolierende Schichten (2) und mehrere spezifisch strukturierte, elektrisch leitende Schichten (3) direkt auf dem Kühlkörper (1) für einen Aufbau von elektronischen Schaltungen mit erhöhter Verlustleistung ausgebildet werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a plurality of specifically structured, electrically insulating layers ( 2 ) and several specifically structured, electrically conductive layers ( 3 ) directly on the heat sink ( 1 ) are designed for a construction of electronic circuits with increased power loss. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten derart dimensioniert und aus einem derartigen Material hergestellt werden, dass eine vorbestimmte Temperaturwechselbeständigkeit und/oder ein vorbestimmter Wärmewiderstand der hergestellten Schaltungsstruktur anwendungsspezifisch optimiert werden.Method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the individual layers are dimensioned and produced from such a material that a predetermined thermal shock resistance and / or a predetermined thermal resistance of the produced circuit structure are optimized application specific. Schaltungsstruktur auf einem Kühlkörper (1), bestehend aus mindestens einer spezifisch strukturierten, elektrisch isolierenden Schicht (2) und mindestens einer spezifisch strukturierten, elektrisch leitenden Schicht (3), welche direkt auf dem Kühlkörper (1) additiv aufbringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstruktur für eine Montage von Leistungshalbleitern vorgesehene Bereiche mit einer reduzierten Anzahl an Schichtebenen aufweist.Circuit structure on a heat sink ( 1 ), consisting of at least one specifically structured, electrically insulating layer ( 2 ) and at least one specifically structured, electrically conductive layer ( 3 ), which directly on the heat sink ( 1 ) are additively applicable, characterized in that the circuit structure for a mounting of power semiconductors provided areas having a reduced number of layer planes. Schaltungsstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (2) aus Keramik und/oder die mindestens eine elektrisch leitende Schicht (3) aus Kupfer besteht.Circuit structure according to claim 10, characterized in that the at least one electrically insulating layer ( 2 ) made of ceramic and / or the at least one electrically conductive layer ( 3 ) consists of copper. Schaltungsstruktur nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) aus Aluminium besteht.Circuit structure according to claim 10 or 11, characterized in that the heat sink ( 1 ) consists of aluminum. Schaltungsstruktur nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsstruktur mehrere elektrisch isolierende Schichten (2) und mehrere elektrisch leitende Schichten (3) in sequentieller Reihenfolge mit unterschiedlichen Layouts zum Bilden von beispielsweise elektronischen Mehrlagenschaltungen mit elektrischen Verbindungen (30) zwischen übereinander liegenden Schichtebenen strukturiert aufweist. Circuit structure according to at least one of claims 10 to 12, characterized in that the circuit structure comprises a plurality of electrically insulating layers ( 2 ) and several electrically conductive layers ( 3 ) in sequential order with different layouts for forming, for example, electronic multi-layer circuits with electrical connections ( 30 ) has structured between superimposed layer planes. Schaltungsstruktur nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten derart dimensioniert sind und aus einem derartigen Material bestehen, dass eine vorbestimmte Temperaturwechselbeständigkeit und/oder ein vorbestimmter Wärmewiderstand der hergestellten Schaltungsstruktur anwendungsspezifisch optimiert ist.Circuit structure according to at least one of claims 10 to 13, characterized in that the individual layers are dimensioned and made of such a material that a predetermined thermal shock resistance and / or a predetermined thermal resistance of the circuit structure produced is optimized application specific.
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