Schaltungsträger, elektronische Baugruppe, Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsträgers

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltungsträger sowie eine elektronische Baugruppe, insbesondere eine Leistungs ^¬ elektronikschaltung, mit einem genannten Schaltungsträger. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines genannten Schaltungsträgers.

Elektronische Baugruppen, insbesondere Leistungselektronikschaltungen, werden in den technischen Vorrichtungen, insbesondere in Hybridelektro-/Elektrofahrzeugen, verwendet, bei denen hohe Ströme durch Leistungsbauelemente der elektronischen Baugruppen fließen. Beim Betrieb erzeugen die elektronischen Baugruppen beziehungsweise die Leistungsbauelemente hohe Verlustleistungen in Form von Abwärme, die zeitnah zu deren Entstehung von den elektronischen Baugruppen abgeführt werden müssen. Hierzu sind metallische Kühlkörper vorgesehen, mit denen die Leistungsbauelemente der elektronischen Baugruppen thermisch gekoppelt sind.

Es besteht allgemein die Anforderung, die technischen Vor- richtungen möglichst kostengünstig herzustellen.

Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, die elektronischen Baugruppen kostengünstig und in einfacher Weise herzustellen.

Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Un ^¬ teransprüche . Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Schaltungsträger bereitgestellt. Der Schaltungsträger umfasst einen metallischen Kühlkörper, insbesondere einen Aluminiumkühlkörper, mit einer Oberfläche. Der Schaltungsträger umfasst ferner eine keramische Isolationsschicht, die unmittelbar auf der zuvor genannten Oberfläche des Kühlkörpers thermisch spritzbeschichtet ist. Dabei weist die Isolationsschicht auf einer von dem Kühlkörper entgegengesetzten Seite eine Oberfläche auf. Der Schaltungs ^¬ träger weist außerdem eine metallische Leiterbahnschicht auf, die unmittelbar auf der zuvor genannten Oberfläche der Isolationsschicht spritzbeschichtet ist. Diese Leiterbahnschicht bildet zumindest eine Leiterbahn des Schaltungsträgers zum Übertragen von elektrischem Strom aus.

Der Kühlkörper kann dabei beispielsweise als ein herkömmlicher Kühlkörper mit Pin-Fin-Struktur oder als ein Abschnitt eines metallischen Gehäuseteils einer elektronischen Baugruppe ausgebildet sein, in dem der Schaltungsträger angeordnet ist. Insbesondere enthält der Kühlkörper im überwiegenden Teil Aluminium oder Aluminiumlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung.

Die keramische Isolationsschicht wird in einem thermischen Spritzverfahren, insbesondere in einem atmosphärischen Plasmaspritzverfahren, einem Hochgeschwindigkeitsflammspritzver ^¬ fahren oder einem Flammspritzverfahren aufgebracht. Dabei kann die Isolationsschicht flächig auf der gesamten Oberfläche des Kühlkörpers oder partiell nur in den Bereichen der Oberfläche des Kühlkörpers angebracht werden, wo die Leiterbahnschicht aus ^¬ gebildet wird und von dem Kühlkörper elektrisch isoliert werden muss .

Die metallische Leiterbahnschicht wird vorzugsweise in einem thermischen Spritzverfahren, insbesondere in einem Kaltgas- spritzverfahren oder in einem Plasma-, Flamm- oder

(Hoch- ) geschwindigkeitsflamm-Spritzverfahren, aufgebracht . Dabei bildet diese Leiterbahnschicht eine elektrische Lei ^¬ terbahnstruktur aus und dient zudem als Haftschicht zur me ^¬ chanischen Verbindung von den Schaltungskomponenten, wie den Leistungsbauelementen beziehungsweise den Lötpasten, auf dem Kühlkörper . Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Kosten bei den elektronischen Baugruppen in erster Linie durch Reduzierung der Komponenten der elektronischen Baugruppen und der Anzahl der notwendigen Fertigungsschritte gespart werden können.

So wurde angestrebt, die elektronischen Baugruppen mit möglichst wenigen Komponenten jedoch ohne Einbußen bei Funktionalität und Qualität bei den elektronischen Baugruppen auszuführen. Dabei wurde erkannt, dass auf die herkömmlichen Trägermedien, wie z. B. Platine, Leiterplatten, DCB-Substrate, Keramiksubstrate, gänzlich verzichtet werden kann, wenn die Schaltungskomponenten einer elektronischen Baugruppe, wie die Leistungsbauelemente und Leiterbahnen, direkt auf dem Kühlkörper angeordnet und von dem Kühlkörper mechanisch getragen werden können, der zur Kühlung der Schaltungskomponenten sowieso vorgesehen ist.

Die elektrische Isolation zwischen dem metallischen Kühlkörper und den Schaltungskomponenten kann in einfacher Weise mittels einer Isolationsschicht sichergestellt werden, die zugleich als Verbindungsschicht zur mechanischen Verbindung zwischen dem Kühlkörper und den Schaltungskomponenten dienen kann.

Die elektrischen Leiterbahnen für die Schaltungskomponenten können dann unmittelbar auf der Isolationsschicht ausgebildet werden .

So wurden je eine Isolationsschicht und eine Leiterbahnschicht vorgesehen, die nacheinander unmittelbar auf dem Kühlkörper aufgebracht werden.

Im Rahmen der Erfindung wurde zudem erkannt, dass das thermische Spritzbeschichten die optimale Lösung ist, die Isolations- und die Leiterbahnschicht auf den Kühlkörper aufzubringen und miteinander und auch mit dem Kühlkörper mechanisch stabil zu verbinden . Dadurch, dass die beiden Schichten durch thermische Spritzverfahren aufgebracht werden, können die beiden Schichten in einer und derselben Spritzbeschichtungsanlage nacheinander auf dem Kühlkörper beschichtet werden. Da die Verfahren zur thermischen Spritzbeschichtung zudem als lang erprobte und weit verbreitete Verfahren in verschiedenen Methoden kostengünstig durchführbar sind, kann ein oben beschriebener Schaltungsträger beziehungsweise eine elektronische Baugruppe mit einem der ^¬ artigen Schaltungsträger auch in einfacher Weise und kosten- günstig hergestellt werden.

Damit ist eine Möglichkeit geschaffen, die elektronischen Baugruppen kostengünstig und in einfacher Weise herzustellen. Dabei kann die Isolationsschicht nichtoxidkeramisches Material, wie z. B. Aluminiumnitrid und/oder Siliziumnitrid, enthalten.

Vorzugsweise enthält die Isolationsschicht jedoch im über ^¬ wiegenden Teil oxidkeramisches Material, insbesondere Alumi- niumoxid A1203. Insbesondere enthält die Isolationsschicht Aluminiumoxid mit einem Massenanteil von mindestens 75%, vorzugsweise über 85% oder über 90%, insbesondere zwischen 95% und 98%, speziell bei ca. 97%. Vorzugsweise enthält die Isolationsschicht neben dem zuvor genannten keramischen Material wie Aluminiumoxid noch zumindest ein weiteres keramisches Material, insbesondere ein weiteres oxidkeramisches Material, wie z. B. Magnesiumoxid oder

Zirkonoxid .

Insbesondere enthält die Isolationsschicht neben Aluminiumoxid noch Titanoxid, speziell Ti02, vorzugsweise mit einem Mas ^¬ senanteil von bis zu 25%, typischerweise von bis zu 10%, insbesondere zwischen 2% bis 5%, speziell von ca. 3%.

Insbesondere besteht die Isolationsschicht im überwiegenden Teil aus einer Mischung von Aluminiumoxid A1203 und Titanoxid Ti02 mit jeweiligen Massenanteilen von 97% und 3%. Eine Isolationsschicht aus einem Gemisch von A1203 und Ti02 mit den jeweiligen Mas- senanteilanteilen von 97% und 3% ist gegenüber einer Isolationsschicht aus reinem A1203 oder sonstigen keramischen beziehungsweise oxidkeramischen Materialien duktiler und in gewissen Maße elastischer und kann somit Temperaturschwankungen von -40°C bis 150°C besser standhalten.

Dabei weist die Isolationsschicht eine Schichtstärke von vorzugsweise über 50 Mikrometer, insbesondere über 100 Mik- rometer, speziell bis 500, 300, oder 200 Mikrometer, typi ^¬ scherweise von ca. 125 Mikrometer, auf.

Die Leiterbahnschicht ist insbesondere als Aluminiumleiter ^¬ bahnschicht ausgebildet, wobei diese im überwiegenden Teil Aluminium enthält. Vorzugsweise enthält die Leiterbahnschicht Aluminium mit einem Massenanteil von über 90 ~6 , vorzugsweise von über 95%, speziell von über 99%, typischerweise von über 99,5%.

Die Leiterbahnschicht weist vorzugsweise eine Schichtstärke von über 30 Mikrometer, insbesondere von über 100 Mikrometer, speziell von über 200 Mikrometer, typischerweise von ca. 250 Mikrometer, auf.

Die Aluminiumleiterbahnschicht weist eine bessere Haftfes- tigkeit auf einer Schicht aus anderem Material wie z. B. Kupfer auf. Dadurch bildet die Aluminiumleiterbahnschicht neben der funktionsbestimmenden elektrischen Leiterbahnstruktur noch Haftfläche für Bondverbindungen (auf Englisch „Bondcoat") aus. Zusätzlich fungiert die Aluminiumleiterbahnschicht als Haft- schicht zwischen der zuvor beschriebenen Isolationsschicht und einer nachfolgend zu beschreibenden kupferhaltigen Lötschicht, indem die Aluminiumleiterbahnschicht eine Stoffschlüssige stabile mechanische Verbindung zwischen der Isolationsschicht und der Lötschicht herstellt.

Die Kombination der Isolationsschicht aus Mischung von den beiden zuvor genannten oxidkeramischen Materialien Aluminiumoxid A1203 und Titanoxid Ti02 in jeweiligen Massenanteilanteilen von 97% und 3% sowie der thermisch spritzbeschichteten, insbesondere kaltgasspritzbeschichteten, Leiterbahnsicht aus Aluminium bietet eine sehr gute thermische Zyklenbeständigkeit des Schaltungsträgers und somit eine hohe Lebensdauer bei dem Schaltungsträger. Zudem macht die Kombination der Isolationsschicht und der auf dieser Isolationsschicht spritzbe ^¬ schichteten, insbesondere kaltgasspritzbeschichteten, Leiterbahnschicht eine Anpassung hinsichtlich der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei der Isolations- und Leiterbahn- schicht überflüssig.

Vorzugsweise weist die Leiterbahnschicht auf einer von der Isolationsschicht entgegengesetzten Seite eine Oberfläche auf. Der Schaltungsträger umfasst eine metallische Lötschicht (Lötpads) , die unmittelbar auf der Oberfläche der Leiter ^¬ bahnschicht spritzbeschichtet, insbesondere kaltgasgespritzt , ist .

Dabei enthält die Lötschicht im überwiegenden Teil, also mit einem Massenanteil von mindestens 51%, vorzugsweise 75%, insbesondere 85%, speziell mindestens 99.5%, Kupfer und ist somit für eine Weichlotverbindung bestens geeignet.

Vorzugsweise weist die Lötschicht vorzugsweise eine Schicht- stärke von über 30 Mikrometer, insbesondere über 300 Mikrometer, speziell bis 0.6 Millimeter, 0.7 Millimeter oder 1 Millimeter, typischerweise von ca. 50 Mikrometer, auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Baugruppe, insbesondere eine Leistungselektronikschaltung, bereitgestellt. Die elektronische Baugruppe umfasst zumindest einen zuvor beschriebenen Schaltungsträger und zumindest ein Leistungsbauelement, das über die Lötschicht mit der Leiter ^¬ bahnschicht des Schaltungsträgers elektrisch leitend verbunden ist. Dabei ist das Leistungsbauelement lediglich über eine Lötpaste unmittelbar auf der Lötschicht verlötet. Vorzugsweise ist das Leistungsbauelement durch eine Weich ^¬ lotverbindung auf der Lötschicht verlötet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Herstellen eines oben beschriebenen Schaltungsträgers bereitgestellt. Dabei weist das Verfahren folgende Verfahrensschritte auf. Es wird zunächst ein metallischer Kühlkörper, insbesondere ein Aluminiumkühlkörper, mit einer Oberfläche bereitgestellt. Die Oberfläche des Kühlkörpers wird mit einem keramischen Material, insbesondere einem oxidkera ^¬ mischen Material, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, thermisch spritzbeschichtet. Beim thermischen Spritzbeschichten formt sich das Metalloxid auf der Oberfläche des Kühlkörpers zu einer keramischen, insbesondere einer oxidkeramischen, Isolationsschicht. Eine Oberfläche der Isolationsschicht, die auf einer von dem Kühlkörper entgegengesetzten Seite liegt, wird unmittelbar mit einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, ebenfalls thermisch spritzbeschichtet. Dabei formt sich das Metall oder die Me ^¬ talllegierung auf der Oberfläche der Isolationsschicht zu einer metallischen Leiterbahnschicht, die zumindest eine Leiterbahn zur Übertragung von elektrischem Strom ausbildet.

Vorzugsweise wird die keramische, insbesondere die oxidkera ^¬ mische, Isolationsschicht in einem atmosphärischen Plasma ^¬ spritzverfahren, einem Hochgeschwindigkeitsflammspritzver ^¬ fahren oder einem Flammspritzverfahren spritzbeschichtet.

Insbesondere wird die Isolationsschicht partiell nur in Be ^¬ reichen der Oberfläche des Kühlkörpers angebracht werden, wo die Leiterbahnschicht beziehungsweise die Leiterbahnstruktur ausgebildet wird und somit von dem Kühlkörper elektrisch isoliert werden muss.

Dabei wird die metallische Leiterbahnschicht vorzugsweise in einem Kaltgasspritzvorgang auf der Oberfläche der Isolationsschicht beschichtet. Vorzugsweise wird die Oberfläche der Leiterbahnschicht, die auf einer von der Isolationsschicht entgegengesetzten Seite liegt, ebenfalls mit einem Metall oder einer Metalllegierung, insbesondere Kupfer oder einer Kupferlegierung, spritzbeschichtet, wobei sich das Metall oder die Metalllegierung auf der Oberfläche der Leiterbahnschicht zu einer metallischen Lötschicht zum Löten von beispielsweise einem Leistungsbauelement formt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Schaltungsträgers sind, soweit im Übrigen auf die oben genannte elektronische Baugruppe oder auf das oben genannte Verfahren übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der elektronischen Baugruppe oder des Verfahrens anzusehen.

Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen :

Figur 1 in einer schematischen Seitenschnittdarstellung eine

Leistungselektronikschaltung mit einem Schaltungsträger gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 in einem schematischen Ablaufdiagramm ein Verfahren zum Herstellen eines Schaltungsträgers der in Figur 1 dargestellten Leistungselektronikschaltung .

Figur 1 zeigt eine Leistungselektronikschaltung LS (also eine elektronische Baugruppe) , die einen Schaltungsträger ST umfasst, auf dem Leistungsbauelemente und elektrische Verbindungen angeordnet und miteinander elektrisch verschaltet sind.

Der Schaltungsträger ST umfasst einen Aluminiumkühlkörper KK, der ein Abschnitt eines Gehäuses Leistungselektronikschaltung LS ausbildet und auf einer Seite Kühlrippen PF zur Vergrößerung der Kühlfläche des Kühlkörpers KK und somit zur Verbesserung der Kühlungswirkung aufweist. Auf einer von den Kühlrippen PF entgegengesetzt liegenden Seite weist der Kühlkörper KK eine flache Oberfläche OF1 auf, auf der eine Isolationsschicht IS unmittelbar durch Spritzbeschichten aufgetragen ist. Dabei besteht die Isolationsschicht IS überwiegend aus Aluminiumoxid A1203 mit einem Massenanteil von 97% und enthält Titanoxid Ti02 mit einem Massenanteil von 3%. Zudem weist die Isolationsschicht IS eine Schichtstärke von ca. 125 Mikrometer auf. Auf einer von dem Kühlkörper KK entgegengesetzt liegenden Seite weist die Isolationsschicht IS eine Oberfläche OF2 auf, auf der eine Leiterbahnschicht LB unmittelbar durch Spritzbeschichten aufgetragen ist. Dabei enthält die Leiterbahnschicht LB Alu ^¬ minium mit einem Massenanteil von 99.5% und bildet Leiterbahnen zur elektrischen Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten wie z. B. Leistungsbauelementen. Zudem weist die Leiterbahnschicht LB eine Schichtstärke von ca. 250 Mikrometer auf.

Auf einer von der Isolationsschicht IS entgegengesetzt liegenden Seite weist die Leiterbahnschicht LB eine Oberfläche OF3 auf, auf der eine Lötschicht LF unmittelbar durch Spritzbeschichten aufgetragen ist. Dabei besteht die Lötschicht LF im überwiegenden Teil aus Kupfer und weist eine Schichtstärke von ca. 50 Mikrometer auf .

Auf einer von der Leiterbahnschicht LB entgegengesetzt liegenden Oberfläche OF3 der Lötschicht LF ist ein Leistungsbauelement LB mittels einer Lötpaste mit der Lötschicht LF elektrisch leitend und mechanisch verbunden. Über eine Bondverbindung BD ist das Leistungsbauelement LB mit einer Leiterbahn elektrisch leitend verbunden .

Freiliegende Oberflächen OF1, OF2 , OF3 des Kühlkörpers KK, der Isolationsschicht IS und der Leiterbahnschicht LB sind mit einer Schutzisolierschicht SL verschlossen und von der Umgebung elektrisch isoliert. Figur 2 zeigt ein Verfahren zum Herstellen des in Figur 1 dargestellten Schaltungsträgers ST in einem Ablaufdiagramm.

Gemäß einem Verfahrensschritt S100 wird zunächst auf der Oberfläche OFl des Aluminiumkühlkörpers KK Pulver aus einem Gemisch von Aluminiumoxid A1203 und Titanoxid Ti02 in einem atmosphärischen Plasmaspritzverfahren aufgetragen. Nach dem Applizieren beziehungsweise Aufbringen auf der Oberfläche OFl des Aluminiumkühlkörpers KK bildet das Gemisch die oxidkera- mische Isolationsschicht IS.

Nach dem Aufbringen der Isolationsschicht IS wird auf der Oberfläche OF2 der Isolationsschicht IS Pulver aus Aluminium gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S200 in einem weiteren Kaltspritzverfahren aufgetragen. Dadurch bildet das Aluminiumpulver die Leiterbahnschicht LB.

Nach dem Aufbringen der Leiterbahnschicht LB wird auf der Oberfläche OF3 der Leiterbahnschicht LB Pulver aus Kupfer gemäß einem weiteren Verfahrensschritt S300 in einem weiteren

Kaltspritzverfahren aufgetragen. Nach dem Auftragen bildet das Kupferpulver die Lötschicht LF aus.