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Dokumentenidentifikation DE102005053974B3 01.03.2007
Titel Elektronische Schaltungsanordnung und Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltungsanordnung
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE;
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE;
ZF Friedrichshafen AG, 88046 Friedrichshafen, DE
Erfinder Rekofsky, Andreas, 93059 Regensburg, DE;
Wolf, Daniela, 93055 Regensburg, DE;
Kolb, Alfred, 88048 Friedrichshafen, DE;
Ingenbleek, Robert, Dr., 88079 Kressbronn, DE;
Schöllhorn, Roland, 88048 Friedrichshafen, DE;
Jung, Erik, 14612 Falkensee, DE
DE-Anmeldedatum 11.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005053974
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 01.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2007
IPC-Hauptklasse H01L 23/36(2006.01)A, F, I, 20051111, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/498(2006.01)A, L, I, 20051111, B, H, DE   H01L 25/04(2006.01)A, L, I, 20051111, B, H, DE   H05K 7/20(2006.01)A, L, I, 20051111, B, H, DE   
Zusammenfassung Die erfindungsgemäße elektronische Schaltungsanordnung (10) umfasst eine Wärmesenke (12) und einen an der Wärmesenke (12) flächig aufliegend thermisch gekoppelten ersten Schaltungsträger (16) zur Verdrahtung von elektronischen Bauelementen der Schaltungsanordnung. Für wenigstens ein elektronisches Bauelement (34-1) ist eine besondere Anordnung vorgesehen, die mit einer erheblich gesteigerten Wärmeableitfähigkeit für das betreffende Bauelement (34-1) einhergeht und darüber hinaus noch weitere Vorteile im Zusammenhang mit in der Praxis etwaig vorkommenden Änderungen der Bestückung und/oder der Leitungsführung bietet. Wesentlich ist hierfür die Anordnung des Bauelements (34-1) unter einem zweiten Schaltungsträger (18-1), der in einer zur Oberseite (14) der Wärmesenke (12) hin durchgehenden Aussparung (24-1) des ersten Schaltungsträgers (16) aufgenommen ist.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltungsanordnung, insbesondere zur Verwendung im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik.

Es ist bekannt, bei der Auslegung von Elektronikeinheiten umfassend einen mit wenigstens einem elektronischen Bauelement bestückten Schaltungsträger (z. B. Leiterplatte, Keramik, Flexfolie etc.) eine möglichst gute Ableitung der Wärme vorzusehen, die unvermeidbar als thermische Verlustleistung im Betrieb von elektronischen Bauelementen entsteht. Die Wärmeableitung verlängert die Lebensdauer der Bauelemente und erhöht somit die Zuverlässigkeit der damit gebildeten Elektronikeinrichtungen.

Bisherige Lösungsansätze zur Verbesserung der Wärmeableitung bestehen vor allem darin, die thermische Anbindung des elektronischen Bauelements an dessen Umgebung zu verbessern, beispielsweise durch Bereitstellung von Wärmeableitpfaden mit hoher Wärmeleitfähigkeit innerhalb eines Schaltungsträgers (z. B. "horizontale Wärmespreizung") und/oder durch Anbringung eines eigens hierfür vorgesehenen Kühlkörpers in gutem thermischen Kontakt zum Bauelement.

Die bekannten Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeableitung sind oftmals mit erheblichem Aufwand verbunden, insbesondere wenn die betreffende Schaltungsanordnung eine besonders hohe Verlustleistung erzeugt und/oder in einer Umgebung mit vergleichsweise hoher Umgebungstemperatur zu betreiben ist, wie dies beispielsweise bei Steuerelektronikeinheiten im Bereich der Automobiltechnik vorkommt. Dort werden derartige Einheiten zunehmend im Bereich von Fahrzeugkomponenten mit erhöhter Temperatur angeordnet, wie beispielsweise Motor, Getriebe oder Bremsen. Außerdem behindern spezielle Wärmeableitungsmaßnahmen oftmals ein platzsparendes Layout von Leiterbahnen des verwendeten Schaltungsträgers.

Ein weiterer Nachteil bekannter Schaltungsanordnungen ist deren oftmals mangelnde Flexibilität hinsichtlich auch kleinerer Änderungen betreffend die Bestückung mit elektronischen Bauteilen und/oder die Leitungsführung zwischen diesen Bauteilen. Hierzu ein Beispiel: Der für ein Motorsteuergerät in einem Kraftfahrzeug entwickelte und unter anderem mit einem Mikrocontroller-Chip bestückte Schaltungsträger muss zumeist weitgehend umkonstruiert bzw. neu entwickelt werden, wenn das Motorsteuergerät für eine zukünftige Serie mit einem moderneren Mikrocontroller-Chip versehen werden soll. Der vorangegangene Entwicklungsaufwand wird dann zu einem großen Teil wertlos, da der vormalige Schaltungsträger nicht für die neue Serie weiter verwendet werden kann.

Aus der EP 0 219 627 B1 ist eine elektronische Schaltungsanordnung bekannt, mittels welcher eine gute Wärmeableitung von den Bauelementen bei gleichzeitig hoher Packungsdichte der Bauelemente erzielt werden soll. Die bekannte Schaltungsanordnung umfasst:

  • – eine Wärmesenke in Form einer metallischen Trägerplatte zur Ableitung von Wärme,
  • – einen an einer Oberseite der Wärmesenke flächig aufliegend thermisch gekoppelten ersten Schaltungsträger zur Verdrahtung von elektronischen Bauelementen der Schaltungsanordnung, wobei der erste Schaltungsträger eine Aussparung aufweist, in welcher ein ungehäustes elektronisches Bauelement angeordnet ist, dessen Unterseite mit der Oberseite der Wärmesenke thermisch gekoppelt ist und welches über Bonddrähte mit Leiterbahnen des ersten Schaltungsträgers verbunden ist, und
  • – einen zweiten Schaltungsträger, welcher über dem ersten Schaltungsträger liegt und mittels einer Verbindungsanordnung in Form von durchmetallisierten Bohrungen elektrisch und mechanisch mit dem ersten Schaltungsträger verbunden ist und einen gehäuseartigen Abschluss für das in der Aussparung aufgenommene Bauelement bildet.

Das direkte Anbonden des in der Aussparung aufgenommenen Bauelements ermöglicht eine relativ hohe Packungsdichte mehrerer nebeneinander in dieser Weise angeordneter Bauelemente, wobei eine gute Wärmeableitung für diese Bauelemente durch die thermische Kopplung mit der Wärmesenke gegeben ist. Nachteilig ist bei diesem Stand der Technik jedoch wieder die oben bereits erläuterte mangelnde Flexibilität hinsichtlich auch kleinerer Änderungen betreffend die Bestückung mit elektronischen Bauteilen und/oder die Leitungsführung zwischen diesen Bauteilen.

Aus der US 2005/0152117 A1 ist eine elektronische Schaltungsanordnung bekannt, mit einer Wärmesenke zur Ableitung von Wärme, einem ersten Schaltungsträger zur Verdrahtung von elektronischen Bauelementen der Schaltungsanordnung, und einem zweiten Schaltungsträger der ein in einer Aussparung des ersten Schaltungsträgers zwischen dem zweiten Schaltungsträger und der Wärmesenke angeordnetes elektronisches Bauelement aufweist, von welchem Bauelementanschlüsse mit unterseitigen Kontaktstellen des zweiten Schaltungsträgers elektrisch verbunden sind und dessen Unterseite mit der Oberseite der Wärmesenke thermisch gekoppelt ist.

Vorteilhaft ergibt sich eine gute Wärmeableitung für das Bauelement, die Wärmesenke ist jedoch weder mit der ersten Schaltungsplatte noch der zweiten Schaltungsplatte unmittelbar thermisch gekoppelt, was die Wärmeableitung für andere Bauelemente dieser Schaltungsträger beeinträchtigt. Ferner ergibt sich wieder eine mangelnde Flexibilität hinsichtlich Änderungen betreffend die Bestückung und/oder die Leitungsführung.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen und insbesondere eine elektronische Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schaltungsanordnung anzugeben, bei welchen eine gute Wärmeableitungsfähigkeit mit einem hohen Maß an Flexibilität hinsichtlich in der Praxis vorkommender schaltungstechnischer Änderungen kombiniert werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltungsanordnung nach Anspruch 15. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Bei der Erfindung wird zunächst insoweit ein an sich bekanntes, kostengünstiges und im Hinblick auf die Wärmeableitung sehr vorteilhaftes Konzept übernommen, als ein Schaltungsträger (nachfolgend als "erster Schaltungsträger" bezeichnet) mit einer Oberseite einer Wärmesenke flächig aufliegend thermisch gekoppelt wird.

Für wenigstens ein elektronisches Bauelement der Schaltungsanordnung wird gemäß der Erfindung jedoch eine besondere Integration bzw. Anordnung vorgesehen, die mit einer erheblich gesteigerten Wärmeableitfähigkeit für das betreffende Bauelement einhergeht und darüber hinaus überraschenderweise noch weitere Vorteile im Zusammenhang mit in der Praxis etwaig vorkommenden Änderungen der Bestückung und/oder der Leitungsführung bietet. Wesentlich ist hierfür das Vorsehen wenigstens eines weiteren Schaltungsträgers, nachfolgend auch als "zweiter Schaltungsträger" bezeichnet, mittels welchem eine in der Praxis sehr einfach anpassbare Bestückung bzw. anpassbare elektrische Kontaktierung des oder der betreffenden Bauelemente realisiert wird. Außerdem besitzt der zweite Schaltungsträger Bedeutung im Zusammenhang mit einer optimalen Wärmeableitung von dem oder den betreffenden Bauelementen zur Wärmesenke. Diese Vorteile werden unten noch detaillierter erläutert.

Die Wärmesenke, die z. B. auch einen Teil eines Gehäuses einer betreffenden Elektronikeinheit bilden kann, ist vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet (z. B. als Metallplatte).

Für einen einfachen Aufbau der Schaltungsanordnung und insbesondere für eine einfach und effizient zu realisierende thermische Kopplung zwischen dem ersten Schaltungsträger und der Wärmesenke ist es günstig, wenn die Wärmesenke eine ebene Oberseite besitzt. Insbesondere wenn auch der erste Schaltungsträger plattenförmig mit einer ebenen Unterseite ausgebildet ist, so lässt sich die thermische Kopplung in einfacher Weise z. B. durch Zwischenfügung einer Wärmeleitfolie oder eines wärmeleitenden Klebers bewerkstelligen.

An der der Wärmesenke abgewandten Seite des ersten Schaltungsträgers kann in an sich bekannter Weise eine Bestückung mit elektronischen Bauteilen der Schaltungsanordnung vorgesehen sein, die entsprechend dem elektrischen Layout durch Leiterbahnen auf und/oder in dem Schaltungsträger elektrisch miteinander verbunden sind.

Im Hinblick auf die im Rahmen der Erfindung besonders interessierende Verwendung der Schaltungsanordnung im Bereich der Kraftfahrzeugelektronik und den damit verbundenen erhöhten Anforderungen an eine effiziente Wärmeableitung von möglichst vielen Bauteilen ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass der erste Schaltungsträger als eine Keramik ausgebildet ist oder als ein herkömmliches PCB (= "printed circuit board" ausgebildet ist.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zweite Schaltungsträger plattenförmig ist, beispielsweise als im Wesentlichen rechteckige Platte ausgebildet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Schaltungsträger als ein so genanntes LTCC-Substrat ausgebildet (LTCC = "low temperature cofired ceramic").

Für eine einfache elektrische Verbindung zwischen dem ersten Schaltungsträger und dem zweiten Schaltungsträger kann die hierfür vorgesehene Anordnung beispielsweise eine Bonddrahtanordnung und/oder eine (z. B. aufgeklebte) Leiterbahnfolie umfassen. Günstig ist es in diesem Zusammenhang auch, wenn die elektrisch miteinander zu verbindenden bzw. miteinander verbundenen oberseitigen Kontaktstellen ("Pads") des ersten Schaltungsträgers und des zweiten Schaltungsträgers sich etwa auf gleicher Höhe befinden. Wenn sowohl der erste als auch der zweite Schaltungsträger jeweils als ebene Platte ausgebildet ist, so bedeutet dies, dass die Dicke des zweiten Schaltungsträgers in etwa der um die entsprechende Bauelementdicke reduzierten Plattendicke des ersten Schaltungsträgers entspricht. Prinzipiell ist es jedoch nicht ausgeschlossen, dass der zweite Schaltungsträger dicker oder dünner ist und somit nach oben aus der Aussparung heraussteht (nur teilweise in der Aussparung aufgenommen ist) bzw. in der Aussparung abgesenkt ist. Eine sich dann ergebende Höhendifferenz kann in einfacher Weise z. B. durch Bonddrähte überbrückt werden.

Die zur Aufnahme des zweiten Schaltungsträgers vorgesehene Aussparung kann prinzipiell auch am Rand des ersten Schaltungsträgers vorgesehen sein, was in bestimmten Fällen vorteilhaft sein kann. Im Hinblick auf eine möglichst stabile Anordnung des zweiten Schaltungsträgers ist es jedoch ganz allgemein bevorzugt, wenn die Aussparung in einem mittleren Bereich des ersten Schaltungsträgers vorgesehen ist. In diesem Fall lässt sich eine mechanisch stabile Lagerung des zweiten Schaltungsträgers oftmals bereits durch eine ringsherum verlaufende und/oder den zweiten Schaltungsträger abdeckende elektrische Verbindungsanordnung gewährleisten, oder weiter verbessern.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das zwischen dem zweiten Schaltungsträger und der Wärmesenke angeordnete elektronische Bauelement ein ungehäuster Chip (mikroelektronisches Bauelement, insbesondere integrierte Schaltungsanordnung). Damit ergibt sich eine gewisse Platzersparnis und darüber hinaus ein weiterer Vorteil hinsichtlich der Ableitung von Wärme, die in diesem Fall unmittelbar (nicht über ein Gehäuse) zur Wärmesenke hin abgeführt werden kann.

Eine besonders gute thermische Kopplung zwischen dem Bauelement und der Wärmesenke ergibt sich beispielsweise dann, wenn die Unterseite des Bauelements mit der Oberseite der Wärmesenke flächig aufliegend thermisch gekoppelt ist. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass z. B. eine dünne wärmeleitende Haftschicht zwischengefügt ist.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zwischen dem zweiten Schaltungsträger und der Wärmesenke angeordnete elektronische Bauelement an seiner Unterseite geschliffen ist. Ein solches Schleifen kann eine ganze Reihe von Vorteilen bieten, insbesondere wenn die Unterseite des Bauelements mit der Oberseite der Wärmesenke in Kontakt tritt. So kann damit zunächst der Wärmeableitungsweg von den elektrisch aktiven Bereichen des Bauelements zur Wärmesenke (oder einer Zwischenschicht) hin verkürzt und/oder der Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Bauelement und der Oberseite der Wärmesenke verringert werden. Ferner kann damit die Höhe des Bauelements auf ein gewünschtes Maß gebracht werden, sei es zur Gewährleistung einer vorbestimmten Höhe des Verbunds aus zweitem Schaltungsträger und Bauelement oder zur Anpassung der Bauelementdicke an die Dicke eines oder mehrerer weiterer Bauelemente, die zwischen demselben zweiten Schaltungsträger und der Wärmesenke angeordnet werden.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zwischen dem zweiten Schaltungsträger und der Wärmesenke angeordnete elektronische Bauelement über ein wärmeleitendes Füllmaterial, beispielsweise eine wärmeleitende Klebstoffschicht, mit der Oberseite der Wärmesenke gekoppelt ist. Dasselbe Füllmaterial oder ein weiteres Füllmaterial kann auch dazu verwendet werden, ansonsten mit Luft gefüllte Bereiche des Zwischenraums zwischen dem zweiten Schaltungsträger und der Wärmesenke z. B. zwecks Erhöhung der Wärmeableitfähigkeit aufzufüllen. Ein solches Füllmaterial, welches z. B. auch elastische Eigenschaften besitzen kann, kann in manchen Anwendungsfällen auch die Vibrationsfestigkeit verbessern.

Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann beispielsweise folgende Schritte umfassen:

  • – Bereitstellen eines ersten Verbunds aus einer Wärmesenke zur Ableitung von Wärme und einem an einer Oberseite der Wärmesenke flächig aufliegend thermisch gekoppelten ersten Schaltungsträger zur Verdrahtung von elektronischen Bauelementen der Schaltungsanordnung, wobei der erste Schaltungsträger eine zur Oberseite der Wärmesenke hin durchgehende Aussparung besitzt (Der erste Schaltungsträger kann vor, während oder nach seiner Verbindung mit der Wärmesenke mit Bauelementen bestückt werden. Außerdem kann der erste Schaltungsträger mit mehreren solchen Aussparungen vorgesehen sein),
  • – Bereitstellen eines zweiten Verbunds aus einem zweiten Schaltungsträger und einem elektronischen Bauelement, von welchem Bauelementanschlüsse mit unterseitigen Kontaktstellen des zweiten Schaltungsträgers elektrisch verbunden sind (Hierbei können auch mehrere Bauelemente in dieser Weise am zweiten Schaltungsträger angebunden werden und/oder auch mehrere solcher zweiten Verbünde bereitgestellt werden),
  • – Einfügen des zweiten Verbunds (oder der zweiten Verbünde) in die Aussparung(en) des ersten Verbunds, derart, dass die Unterseite des elektronischen Bauelements in thermischen Kontakt mit der Oberseite der Wärmesenke tritt, z. B. durch flächige Auflage, sei es direkt oder indirekt über eine wärmeleitende Zwischenschicht (Die Aussparung kann vor dem Einfügen des zweiten Verbunds auch zumindest teilweise mit einer gut wärmeleitenden Masse aufgefüllt werden, z. B. einer aushärtbaren Vergussmasse), und
  • – elektrisches Verbinden von oberseitigen Kontaktstellen des ersten Schaltungsträgers mit oberseitigen Kontaktstellen des oder der zweiten Schaltungsträger.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung gewährleistet eine gute, da mehr oder weniger unmittelbare Wärmeableitung von dem oder den am zweiten Schaltungsträger kontaktierten Bauelementen zur Wärmesenke hin. Mit dem zweiten Schaltungsträger kann vorteilhaft eine so genannte Entflechtung der Bauelementanschlüsse erfolgen, welche in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit unterseitigen Kontaktstellen des zweiten Schaltungsträgers stehen und durch den zweiten Schaltungsträger hindurch zu oberseitigen Kontaktstellen führen. Abhängig von der für den zweiten Schaltungsträger gewählten Technologie (z. B. LTCC) können an oder in diesem Schaltungsträger noch weitere elektronische Bauelemente bzw. elektronische Funktionalitäten integriert sein, etwa zur Anpassung an eine "periphere Elektronik" die von dem ersten Schaltungsträger samt seiner Bestückung gebildet wird. Insbesondere für eine solche Anpassung kann auch vorgesehen sein, dass der zweite Schaltungsträger auch auf seiner der Wärmesenke abgewandten Seite mit wenigstens einem Bauelement bestückt wird. Eine solche Bestückung kann z. B. gleichzeitig mit der Herstellung des oben erwähnten zweiten Verbunds erfolgen, oder auch später. Zu beachten ist hierbei jedoch, dass die Wärmeableitungsfähigkeit für solche zusätzlichen Bauelemente auf dem zweiten Schaltungsträger vergleichsweise schlecht ist, so dass dieser Bestückungsort sich insbesondere für Bauelemente eignet, die eine wesentlich geringere thermische Verlustleistung erzeugen als das oder die unter dem zweiten Schaltungsträger angeordneten Bauelemente.

Vorteilhaft ergibt sich gemäß der Erfindung eine gewisse Modularisierung des Gesamtaufbaus insofern, als ein oder mehrere elektronische Bauelemente (im Verbund mit dem zweiten Schaltungsträger) modulartig in die Schaltungsanordnung einbezogen sind. Dies besitzt für die betreffenden Schaltungskomponenten augenscheinlich Vorteile im Hinblick auf eine Reparierbarkeit der Schaltungsanordnung (durch Austausch von Modulen) sowie im Hinblick auf etwaige in der Praxis vorkommende spätere Änderungen der Schaltungsanordnung (Bestückungsvarianten). In letzterem Fall ermöglicht der modulartige Aufbau unter Umständen die Weiterverwendung der peripheren Elektronik (erster Schaltungsträger samt Bestückung) in Verbindung mit einem oder mehreren geänderten Modulen (zweite Schaltungsträger samt Bestückung).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:

1 ist eine schematische Draufsicht einer Schaltungsanordnung, und

2 ist eine Schnittansicht längs der Linie II-II in 1.

1 zeigt eine in einem Kraftfahrzeuggetriebe-Steuergerät enthaltene Schaltungsanordnung 10 umfassend eine Wärmesenke 12 (die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel einen Teil eines Steuergerätgehäuses bildet), einen an einer Oberseite 14 der Wärmesenke flächig aufliegend thermisch gekoppelten ersten Schaltungsträger 16 sowie zweite Schaltungsträger 18-1, 18-2, 18-3 und 18-4.

Die Wärmesenke 12 ist in einfacher und effizienter Weise von einer ebenen Aluminium-Druckguss-Platte einheitlicher Dicke gebildet, die einen Boden des die Schaltungsanordnung aufnehmenden Gehäuses (nicht dargestellt) bildet. Die Dicke der Wärmesenke 12 ist wesentlich größer als die Dicke des Schaltungsträgers 16.

Der erste Schaltungsträger 16 ist als Dickschichtkeramik ausgebildet. Ein gängiges Material zur Bildung von Keramikträgerplatten ist z. B. Al2O3. Solche Dickschichtkeramiken sind Fachleuten aus dem Bereich der Hochtemperatur-Elektronik wohlbekannt und bedürfen daher keiner näheren Erläuterung.

Ferner umfasst die Schaltungsanordnung 10 eine Vielzahl von elektronischen Bauelementen, die zu einem Teil in an sich bekannter Weise auf der Oberseite des ersten Schaltungsträgers 16 angeordnet und mittels desselben verdrahtet sind. Von diesem Teil der Bauelemente sind lediglich beispielhaft ein in so genannter Flip-Chip-Technologie aufgebrachter, ungehäuster integrierter Schaltkreis 20 und ein gehäuster integrierter Schaltkreis 22 in der Figur eingezeichnet.

Ganz allgemein wird bei Flip-Chips wie dem Chip 20 die Verbindung zum Schaltungsträger nicht durch Bonden hergestellt, sondern durch direkte Klebe- oder Lötverbindungen zwischen den Kontaktstellen des Chips und des Schaltungsträgers. Die Flip-Chip-Technologie ermöglicht somit die Entflechtung der Verbindungen über den Schaltungsträger ohne Bondverbindungen. Eine besondere Variante dieser Technologie zur Miniaturisierung von elektronischen Einrichtungen sind so genannte "Ball-Grid-Arrays" (BGAs), bei welchen anstelle von peripheren Bauelementanschlüssen der elektrische Kontakt über elektrisch leitende, in einer Punktmatrix angeordnete Kugeln erfolgt. Für diese Kugelanordnung stehen vorteilhaft zwei Dimensionen zur Verfügung, wodurch auch eine größere Anzahl von Kontakten platzsparend realisiert werden kann.

Ein weiterer Teil der Bauelemente der Schaltungsanordnung 10 (hier: in Flip-Chip-Technologie, alternativ z. B. BGA) ist demgegenüber an der Unterseite der zweiten Schaltungsträger 18 angeordnet, die jeweils in einer zur Oberseite 14 der Wärmesenke 12 hin durchgehenden Aussparung 24-1, 24-2 und 24-3 aufgenommen sind.

Die zweiten Schaltungsträger 18 sind als LTCC ausgebildet. Derartige mehrlagige in Hybrid- oder Mikrohybridtechnologie hergestellte Keramikträgerplatten sind an sich bekannt und gestatten neben ihrer Verdrahtungsfunktion auch die Integration von weiteren Bauelementen in einem dreidimensionalen Aufbau.

Jeder zweite Schaltungsträger 18 weist an seiner Oberseite Kontaktstellen ("Pads") 26 auf, die jeweils entweder mit solchen Kontaktstellen 26 eines in derselben Aussparung 24 unmittelbar benachbart angeordneten zweiten Schaltungsträgers 18 oder mit oberseitigen Kontaktstellen 28 des ersten Schaltungsträgers 16 elektrisch verbunden sind.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zweiten Schaltungsträger 18-2 und 18-3 gemeinsam nebeneinander in einer in einem mittleren Bereich des ersten Schaltungsträgers 16 vorgesehenen Aussparung 24-2 aufgenommen.

Demgegenüber sind die zweiten Schaltungsträger 18-1 und 18-4 in separat vorgesehenen Aussparungen 24-1 bzw. 24-3 aufgenommen, von welchen die Aussparung 24-3 am Rand des ersten Schaltungsträgers 16 vorgesehen ist.

Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnte eine zur Aufnahme eines oder mehrerer zweiter Schaltungsträger 18 vorgesehene Aussparung 24 auch als Zwischenraum zwischen zwei seitlich zueinander beabstandeten ersten Schaltungsträgern 16 vorgesehen sein.

Die elektrische Verbindung zwischen den zweiten Schaltungsträgern 18-1, 18-2 und 18-3 einerseits und dem ersten Schaltungsträger 16 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel durch Bonddrähte 30 an den Pads 26, 28 realisiert, wohingegen die Verbindung zwischen dem zweiten Schaltungsträger 18-4 und dem ersten Schaltungsträger 16 hier durch eine aufgeklebte Leiterbahnfolie 32 mit entsprechenden Leiterbahnen hergestellt ist. Nach dem Bondprozess werden die Bonddrähte 30 noch vergossen (mechanischer Schutz und Verbesserung der Vibrationsbeständigkeit).

Die an den Unterseiten der zweiten Schaltungsträger 18 angeordneten Bauelemente sind in der Figur mit 34-1 bis 34-5 bezeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesen Bauelementen 34 um ungehäuste integrierte Schaltkreise ("bare dies"), von denen Bauelementanschlüsse mit unterseitigen Kontaktstellen des betreffenden zweiten Schaltungsträgers 18 in Flip-Chip-Technologie elektrisch verbunden sind und deren Unterseite mit der Oberseite 14 der Wärmesenke 12 flächig aufliegend thermisch gekoppelt sind.

Diese für die Bauelemente 34 für die Wärmeableitung sehr vorteilhafte Anordnung ist am Beispiel des Bauelements 34-1 in der Schnittansicht von 2 besonders gut ersichtlich. Die Unterseite des Chips 34-1 liegt unmittelbar oder über eine wärmeleitende Zwischenschicht (z. B. Haftschicht, nicht dargestellt) vollflächig an der Oberseite 14 der Wärmesenke 12 an. Die elektrisch aktiven Bereiche des Bauelements 34-1 befinden sich im oberen Abschnitt desselben, wo die unmittelbare elektrische Kontaktierung zum zweiten Schaltungsträger 18-1 hin stattfindet. Vorteilhaft gibt es nur geringfügige thermische Widerstände zwischen dem thermisch aktiven Bereich des Bauteils 34-1 und der Wärmesenke 12. Der thermisch aktive Bereich des Bauelements 34-1 wird somit optimal mit der Wärmesenke 12 gekoppelt. Damit verbunden ist die Auswertung des Einsatzbereiches der betreffenden Elektronik hin zu höheren Umgebungstemperaturen und/oder höheren Verlustleistungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Flip-Chip-Aufbauten erfolgt die Entwärmung des Bauelements nicht über den Schaltungsträger. Vielmehr wird das Bauelement optimal mit einer großflächigen und vergleichsweise dicken Wärmesenke in thermische Verbindung gebracht.

Bei der für den zweiten Schaltungsträger 18-3 in 1 dargestellten Anordnung von mehr als einem Bauelement 34 unter dem Schaltungsträger (Bauelemente 34-3 und 34-4) können Höhenunterschiede dieser Bauelemente durch eine Vergussmasse, einen Leitkleber oder dergleichen oder durch rückseitiges Schleifen der betreffenden Bauelemente ausgeglichen werden.

Der zweite Schaltungsträger 18-1 stellt eine elektrische Verdrahtung von seinen unterseitigen Kontaktstellen zu seinen oberseitigen Kontaktstellen 26 bereit, über welche die oben erläuterte Weiterkontaktierung (hier: zu den Kontaktstellen 28 des ersten Schaltungsträgers 16) erfolgt. Entsprechendes gilt für die in 2 nicht ersichtlichen Schaltungsträger 18-2, 18-3 und 18-4.

Eine andere Art von elektrischer Verbindung zwischen dem ersten Schaltungsträger und einem der zweiten Schaltungsträger ist in 1 bei dem zweiten Schaltungsträger 18-4 ersichtlich. Dort ist die Verbindung zwischen den Pads 26, 28 mittels der aufgeklebten Leiterbahnfolie 32 realisiert, welche gleichzeitig Leiterbahnen zu weiteren oberseitigen Pads 36 des ersten Schaltungsträgers 16 führt, um die Schaltungsanordnung 10 mit einer externen Leitungsverbindung und/oder weiteren Schaltungsträgern bzw. Schaltungsanordnungen zu verbinden, die in derselben Elektronikeinheit (Steuergerät) untergebracht sind.

Wenngleich die beim beschriebenen Ausführungsbeispiel erwähnten Technologien zur Implementierung der Schaltungsträger 16 und 18 als bevorzugt zu betrachten sind, so kann jeder dieser Schaltungsträger prinzipiell auch in einer anderen geeigneten Technologie gefertigt werden, die eine Anordnung und elektrische Verdrahtung von Bauelementen gestattet. Für die zweiten Schaltungsträger 18 kommt hierbei insbesondere auch die so genannte HTCC-Technologie in Betracht (HTCC = "high temperature cofired ceramics").

Zur Herstellung der Schaltungsanordnung 10 wird zunächst ein erster Verbund aus der Wärmesenke 12 und dem ersten Schaltungsträger 16 gefertigt, wobei der Schaltungsträger 16 zuvor oder danach mit den daran vorgesehenen Bauelementen (20, 22 etc.) bestückt wird. Außerdem werden zweite Verbünde gefertigt, die jeweils aus einem der zweiten Schaltungsträger 18 und dem oder den daran angeordneten Bauelementen (34) bestehen. Diese zweiten Verbünde bzw. Module werden dann mit den Bauelementen voran in die Aussparungen 24 des ersten Schaltungsträgers 16 eingefügt, wobei zur Befestigung und/oder besseren Wärmekontaktierung ein gut wärmeleitendes Haftmaterial oder eine geeignete Vergussmasse vorgesehen wird. Schließlich werden die oberseitigen Kontaktstellen des ersten Schaltungsträgers 16 mit den benachbarten oberseitigen Kontaktstellen der zweiten Schaltungsträger 18 elektrisch verbunden, beim obigen Ausführungsbeispiel teilweise durch die Bonddrähte 30 und teilweise durch die Leiterbahnfolie 32.

Zusammenfassend ergibt sich bei der Schaltungsanordnung 10 für die mehr oder weniger unmittelbar zur Wärmesenke hin thermisch angekoppelten Bauelemente 34 eine überragende Entwärmung. Die besondere Gestaltung hinsichtlich der Anordnung der Bauelemente 34 eignet sich insbesondere sowohl für Standard-Chips als auch für speziell präparierte Flip-Chips. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens eines dieser Bauelemente 34 ein Leistungsbaustein (z. B. ASIC oder Schalttransistor) oder ein Mikrocontroller-Chip ist. Außerdem können diese Bauelemente 34 zusammen mit den zugeordneten zweiten Schaltungsträgern 18 in der Praxis vorteilhaft als im Laufe der Zeit sich verändernde elektronische Module in die ansonsten unveränderte, periphere Elektronik integriert werden, die von dem ersten Schaltungsträger 16 samt dessen Bestückung geschaffen wurde. Erwähnenswert ist auch der Vorteil, dass eine so genannte Umverdrahtung von komplexeren mikroelektronischen Schaltkreisen (z. B. den erwähnten Mikrocontrollern oder anderen Mikroprozessoreinrichtungen) zur Anpassung an eine periphere Elektronik bzw. Technologie nicht mehr auf Waferebene stattfinden muss, sondern falls notwendig durch den betreffenden zweiten Schaltungsträger 18 stattfinden kann.


Anspruch[de]
Elektronische Schaltungsanordnung, umfassend

– eine Wärmesenke (12) zur Ableitung von Wärme,

– einen an einer Oberseite (14) der Wärmesenke (12) flächig aufliegend thermisch gekoppelten ersten Schaltungsträger (16) zur Verdrahtung von elektronischen Bauelementen (20, 22, 34) der Schaltungsanordnung,

– einen zweiten Schaltungsträger (18), der in einer zur Oberseite (14) der Wärmesenke (12) hin durchgehenden Aussparung (24) des ersten Schaltungsträgers (16) aufgenommen ist, wobei eine Verbindungsanordnung (30, 32) vorgesehen ist, mittels welcher oberseitige Kontaktstellen (28) des ersten Schaltungsträgers (16) mit oberseitigen Kontaktstellen (26) des zweiten Schaltungsträgers (18) elektrisch miteinander verbunden sind, und

– ein zwischen dem zweiten Schaltungsträger (18) und der Wärmesenke (12) angeordnetes elektronisches Bauelement (34), von welchem Bauelementanschlüsse mit unterseitigen Kontaktstellen des zweiten Schaltungsträgers (18) elektrisch verbunden sind und dessen Unterseite mit der Oberseite (14) der Wärmesenke (12) thermisch gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Wärmesenke (12) von einer Metallplatte gebildet ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Wärmesenke (12) eine ebene Oberseite (14) besitzt. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Schaltungsträger (16) plattenförmig ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Schaltungsträger (16) als eine Dickschichtkeramik ausgebildet ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Schaltungsträger (18) plattenförmig ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Schaltungsträger (18) als ein LTCC oder HTCC ausgebildet ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsanordnung (30, 32) zwischen dem ersten Schaltungsträger (16) und dem zweiten Schaltungsträger (18) eine Bonddrahtanordnung (30) umfasst. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsanordnung (30, 32) zwischen dem ersten Schaltungsträger und dem zweiten Schaltungsträger (18) eine Leiterbahnfolie (32) umfasst. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrisch miteinander verbundenen oberseitigen Kontaktstellen (28) des ersten Schaltungsträgers (16) und des zweiten Schaltungsträgers (18) sich etwa auf gleicher Höhe befinden. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zur Aufnahme des zweiten Schaltungsträgers (18) vorgesehene Aussparung (24) in einem mittleren Bereich des ersten Schaltungsträgers (16) vorgesehen ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zwischen dem zweiten Schaltungsträger (18) und der Wärmesenke (12) angeordnete elektronische Bauelement (34) ein ungehäuster Chip ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zwischen dem zweiten Schaltungsträger (18) und der Wärmesenke (12) angeordnete elektronische Bauelement (34) an seiner Unterseite geschliffen ist. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zwischen dem zweiten Schaltungsträger (18) und der Wärmesenke (12) angeordnete elektronische Bauelement (34) über ein wärmeleitendes Füllmaterial, insbesondere eine wärmeleitende Klebstoffschicht, mit der Oberseite der Wärmesenke gekoppelt ist. Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Schaltungsanordnung (10), umfassend die Schritte:

– Bereitstellen eines ersten Verbunds (12, 16) aus einer Wärmesenke (12) zur Ableitung von Wärme und einem an einer Oberseite (14) der Wärmesenke (12) flächig aufliegend thermisch gekoppelten ersten Schaltungsträger (16) zur Verdrahtung von elektronischen Bauelementen (20, 22, 34) der Schaltungsanordnung (10), wobei der erste Schaltungsträger (16) eine zur Oberseite (14) der Wärmesenke (12) hin durchgehende Aussparung (24) besitzt,

– Bereitstellen eines zweiten Verbunds (18, 34) aus einem zweiten Schaltungsträger (18) und einem elektronischen Bauelement (34), von welchem Bauelementanschlüsse mit unterseitigen Kontaktstellen des zweiten Schaltungsträgers (18) elektrisch verbunden sind,

– Einfügen des zweiten Verbunds (18, 34) in die Aussparung (24) des ersten Verbunds (12, 16), derart, dass die Unterseite des elektronischen Bauelements (34) in thermischen Kontakt mit der Oberseite (14) der Wärmesenke (12) tritt, und

– elektrisches Verbinden von oberseitigen Kontaktstellen (28) des ersten Schaltungsträgers (16) mit oberseitigen Kontaktstellen (26) des zweiten Schaltungsträgers (18).






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