Leistungsmodul mit verringerter Defektanfälligkeit und Ver ^¬ wendung desselben

Die Erfindung betrifft Leistungsmodule, deren Defektanfällig ^¬ keit verringert ist, und die Verwendung solcher Module.

Immer mehr elektrische und elektronische Komponenten finden in technischen Geräten Verwendung. Entsprechend steigen deren Komplexität und damit die Zahl der Möglichkeiten eines De ^¬ fekts. Zusätzlich hält der Trend zur Miniaturisierung weiter an, wodurch der Bauraum zur Realisierung elektrischer und elektronischer Funktionen immer kleiner wird.

Elektrische und elektronische Funktionen werden oft durch elektrische Module realisiert. Ein Modul fasst im Allgemeinen mehrere elektrische Komponenten, z. B. Chips, auf einem Trä ^¬ gersubstrat zusammen. Solche Module sind z. B. aus den Druck- Schriften US 2009/0129079 AI und US 2008/0151547 AI bekannt.

Leistungsmodule, z. B. Leuchtmittel zur Straßenbeleuchtung (Fernlicht, Abblendlicht) in Kraftfahrzeugen, zeichnen sich im Vergleich zu Systemen, welche lediglich elektrische Sig- nale verarbeiten, durch hohe elektrische Leistungen aus. Ent ^¬ sprechend beträgt auch die Abwärme ein Vielfaches der Abwärme signalverarbeitender Module.

Ein Problem bei bekannten Leistungsmodulen ist die Defektan- fälligkeit und eine thermische Beschränkung der Leistungsfä ^¬ higkeit . Es besteht deshalb der Wunsch nach Leistungsmodulen mit verringerter Defektanfälligkeit, höherer Leistungsfestigkeit und höherer Leistungsfähigkeit, die dem anhaltenden Trend zur Mi ^¬ niaturisierung gehorchen und kleinere Abmessungen ermögli- chen.

Diese Aufgabe wird durch das Leistungsmodul gemäß unabhängi ^¬ gem Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.

Das Leistungsmodul umfasst ein Trägersubstrat mit einer die ^¬ lektrischen Lage und einer Metallisierungslage. Ferner hat das Trägersubstrat eine Ausnehmung. Zusätzlich umfasst das Leistungsmodul ein elektrisches Funktionselement. In der Me- tallisierungslage des Trägersubstrats ist eine elektrische Leitung strukturiert. Das Funktionselement ist mit der elektrischen Leitung verschaltet. Das Funktionselement ist ferner in der Ausnehmung im Trägersubstrat angeordnet und hat eine Wärmebrücke, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Trägersubstrat hat.

Die Ausnehmung kann dabei eine durch das Trägersubstrat ge ^¬ hende Öffnung sein, sodass die Ausnehmung von beiden Seiten des Trägersubstrats zugänglich ist. Alternativ kann die Aus- nehmung auch eine Vertiefung in Form eines Sacklochs sein, die das Trägersubstrat nicht durchdringt. Dann ist die Aus ^¬ nehmung lediglich von der Oberseite des Trägersubstrats zu ^¬ gänglich. In letzterem Fall hat die Ausnehmung eine Unterseite, die durch eine Oberfläche des Trägersubstrats gebildet ist.

Neben der einen dielektrischen Lage und der einen Metallisierungslage kann das Trägersubstrat eine oder mehrere weitere dielektrische Lagen und eine oder weitere Metallisierungsla ^¬ gen aufweisen. Die dielektrischen Lagen trennen die Metallisierungslagen. In den Metallisierungslagen können elektrische Strukturen, z. B. Signalleitungen, Leistungsleitungen, Schal- tungselemente wie kapazitive, induktive oder resistive Ele ^¬ mente, strukturiert sein.

Das Funktionselement ist ein elektrisches oder elektronisches Leistungselement, das im Betrieb eine relativ hohe elektri- sehe Leistung umsetzt und eine entsprechend hohe Menge an Energie dissipiert. Das Funktionselement stellt somit eine Wärmequelle während des Betriebs dar. Als Funktionselemente kommen insbesondere Elemente mit Strukturen für Hochleis ^¬ tungs-LEDs (LED = Light Emitting Diode = Leuchtdiode) in Frage.

Zusätzlich zu den Strukturen, die als Wärmequelle agieren und elektrische Energie teilweise in Wärme umwandeln, hat das Funktionselement seine Wärmebrücke mit der hohen Wärmeleitfä- higkeit. Im Vergleich zu konventionellen Leistungsmodulen mit Wärmequellen in Chips auf einem Trägersubstrat ist durch die Anordnung in der Ausnehmung das Material am Trägersubstrat, durch das die Wärme abgeführt werden muss reduziert. Durch das zusätzliche Vorhandensein der Wärmebrücke, die das Abfüh- ren von Wärme durch die höhere Wärmeleitfähigkeit als das

Trägersubstrat weiter verbessert, ist die thermische Belas ^¬ tung der Energie dissipierenden Strukturen im Funktionselement doppelt verringert. Der Temperaturbereich, in dem Kraftfahrzeuge eingesetzt werden, ist sehr breit. Vor allem bei Tagfahrlichtern, die nicht nur in der eher kühleren Dunkelheit eingesetzt werden, und die im Allgemeinen auf LEDs mit dotiertem Halbleitermaterial basieren, profitieren von einer verbesserten Wärmeabfuhr. Das Altern von Halbleiterbauelementen ist ein thermodynamischer Prozess mit exponentieller Temperaturabhängigkeit. Eine deut ^¬ liche Verringerung der thermischen Belastung kann die Lebens- dauer eines entsprechenden Bauelements deshalb vervielfachen und die Defektanfälligkeit reduzieren.

Durch das Anordnen des Funktionselements in der Ausnehmung ist zusätzlich die Bauhöhe des Moduls reduziert.

Paradoxerweise beruht die Verringerung der Defektanfälligkeit somit gerade auf der Verkleinerung des Bauvolumens.

Insgesamt ist damit ein Leistungsmodul angegeben, das für Leistungsbauelemente, z. B. thermisch empfindliche Leistungs ^¬ halbleiter, hoher Leistung gut geeignet ist. Die Defektanfäl ^¬ ligkeit ist verringert. Temperaturschwankungen sind aufgrund des allgemein geringeren Temperaturniveaus verringert. Durch die verbesserte Wärmeabfuhr ist die Leistungsfestigkeit er- höht und eine entsprechende elektrische Komponente kann bei höherer Leistung betrieben werden. Das Funktionselement in der Ausnehmung kann mit den seitlichen Wänden der Ausnehmung mechanisch fest verbunden werden, sodass trotz der die mechanische Stabilität des Substrats prinzipiell gefährdenden Aus- nehmung ein mechanisch robustes Modul erhalten wird. Die Abmessungen, insbesondere die Bauhöhe, sind verringert. Durch die Möglichkeit der geringeren Abmessungen ist die Zahl der Freiheitsgrade beim Designen entsprechender Module erhöht, was wiederum Raum für Maßnahmen zur Erleichterung der Verar- beitbarkeit der Module lässt. Im Übrigen wurde erkannt, dass die Wärmebrücke auch so ausge ^¬ bildet werden kann, dass Strukturen zum Schutz des Moduls gegen Überspannungen erhalten werden, wodurch nicht nur die Defektanfälligkeit gegenüber thermisch induzierten Defekten, sondern auch die Defektanfälligkeit gegenüber gefährlichen elektrischen Impulsen verringert ist.

Es ist deshalb entsprechend möglich, dass die Wärmebrücke dazu vorgesehen ist, während des Betriebs erzeugte Wärme, z. B. dissipierte elektrische Energie, an die Unterseite des Leistungsmoduls abzuführen.

Das Leistungsmodul kann auf einer Montageplatte befestigt sein, über die die erzeugte Wärme leicht an die Umgebung des Moduls abgeführt werden kann.

Es ist möglich, dass die Wärmebrücke ein keramisches Material umfasst . Das keramische Material kann dabei ein dielektrisches Mate ^¬ rial sein, das Leistungsstrukturen des Funktionselements ge ^¬ genüber seiner Umgebung isoliert und dennoch eine gute thermische Anbindung an die Unterseite des Leistungsmoduls ermög ^¬ licht .

Es ist möglich, dass die Wärmebrücke ein Material umfasst o- der aus dem Material besteht, wobei das Material ausgewählt ist aus ZnO-Bi (mit Bismut dotiertes Zinkoxid) , ZnO-Pr (mit Praseodym dotiertes Zinkoxid) , A1N (einem Aluminiumnitrid) , AI ₂ O ₃ und SiC (Siliziumcarbid) .

Das Trägersubstrat kann die üblichen Materialien, die für PCB (PCB = Printed Circuit Board) verwendet werden, umfassen. Das Trägersubstrat kann z. B. ein Multilayer-FR4-Substrat sein. Alternativ kann das Trägersubstrat auch ein IMS-Substrat (IMS = Insulated Metal Substrate) sein. Die thermische Leitfähig ^¬ keit bekannter Trägersubstrate ist im Wesentlichen auf 8 W/mK oder weniger beschränkt. Bismut dotiertes Zinkoxid hat eine thermische Leitfähigkeit von 20 W/mK oder mehr. Mit Praseodym dotiertes Zinkoxid hat eine thermische Leitfähigkeit von 40 W/mK oder mehr. Aluminiumnitrid hat eine thermische Leitfä ^¬ higkeit von 100 W/mK oder mehr. Das heißt, dass - zusammen mit der verringerten Masse, durch die Wärme abgeführt werden muss - die thermische Anbindung um eine Größenordnung oder mehr verbessert sein kann.

Es ist möglich, dass die Wärmebrücke einen Mehrschichtaufbau umfasst. Der Mehrschichtaufbau kann eine dielektrische Lage und ein Metallisierungslage haben. Zusätzlich zu dieser die ^¬ lektrischen Lage kann die Wärmebrücke weitere dielektrische Lagen haben. Zusätzlich zur Metallisierungslage kann die Wärmebrücke weitere Metallisierungslagen haben.

In den Lagen des Mehrschichtaufbaus können elektrische Funk ^¬ tionen realisiert sein. Vorzugsweise sind das dielektrische Material und das Material der Metallisierungslagen so ge ^¬ wählt, dass eine optimale Wärmeabfuhr durch die gesamte Wär- mebrücke gegeben ist.

Es ist möglich, dass die Wärmebrücke ein ESD-Schutzelement (ESD = Electro-Static Discharge) umfasst. Das ESD-Schutzelement kann dabei funktionelle Strukturen des Funktionselements vor schädlichen Spannungsimpulsen schützen. Es ist dazu möglich, dass die Wärmebrücke einen Varistor um- fasst .

Die Wärmebrücke kann dazu einen Mehrschichtaufbau umfassen, in dem übereinander angeordnete und von dielektrischem Material getrennte erste Elektroden strukturiert sind. Zwischen den ersten Elektroden sind in weiteren Metallisierungslagen von den ersten Elektroden getrennte zweite Elektrodenflächen strukturiert .

Das dielektrische Material in Form einer Varistorkeramik hat dabei einen elektrischen Widerstand, der von der an den

Elektroden anliegenden Spannung abhängt. Unerwünschte Überspannungspulse können dadurch leicht an ein Schutzpotenzial, z. B. ein Massepotenzial, abgegeben werden, während das die ^¬ lektrische Material bei den üblichen Betriebsspannungen des Funktionselements einen Isolator darstellt.

Das Leistungsmodul kann neben dem Funktionselement noch wei- tere zusätzliche Funktionselemente mit gleichem oder ähnli ^¬ chem Aufbau aufweisen, die ebenso in der Ausnehmung oder in zusätzlichen Ausnehmungen angeordnet sein können. Durch eine solche Anordnung wird ein hoher Grad an Integration erhalten. Je höher der Integrationsgrad und damit die Zahl der inte- grierten Funktionselemente sind, desto höher ist die Ausfall ^¬ wahrscheinlichkeit. Es wäre unerwünscht, wenn ein Leistungs ^¬ modul aufgrund des Ausfalls eines einzelnen Funktionselements unbrauchbar würde. Durch die Möglichkeit eines wie oben be ^¬ schriebenen ESD-Schutzes kann somit ein hochintegriertes Bau- element mit einer Vielzahl an hohe Leistung umsetzenden Funktionselementen erhalten werden und dennoch eine Ausfallwahrscheinlichkeit auf ein Minimum reduziert sein. Es ist möglich, dass das Funktionselement funktionale Struk ^¬ turen umfasst, die zum Aussenden von Licht anregbar sind.

Die funktionalen Strukturen sind dabei vorzugsweise an der Oberseite des Funktionselements angeordnet, während die Wär ^¬ mebrücke die funktionalen Strukturen an die Unterseite des Funktionselements, z. B. an die Unterseite des Leistungsmo ^¬ duls, thermisch anbindet. Zum Aussenden von Licht anregbaren Strukturen können insbesondere auf Halbleitermaterial basie- rende LED-Strukturen sein, denn solche Halbleiterstrukturen sind besonders empfindlich gegenüber Überhitzung.

Es ist möglich, dass das Trägersubstrat und/oder das Funkti ^¬ onselement vertikale Durchkontaktierungen, so genannte Vias, haben. Vertikale Durchkontaktierungen verschalten dabei unterschiedliche Metallisierungslagen bzw. die in den unterschiedlichen Metallisierungslagen strukturierten Schaltungselemente. Solche Durchkontaktierungen ermöglichen es, sämtliche elektrischen Anschlüsse des Leistungsmoduls auf einer einzigen Seite, z. B. der Unterseite, anzuordnen. Entspre ^¬ chend ist es auch möglich, dass das Funktionselement alle elektrischen Verbindungen zum Trägersubstrat an seiner Unterseite hat. Dann ist das Funktionselement in der Ausnehmung auf einer Lage des Trägersubstrats angeordnet und über struk- turierte Leitungen verschaltet.

Bekannte IMS-Substrate mit vollflächig ausgebildeten metalli ^¬ sierten Lagen zwischen dielektrischen Lagen würden eine solche Kontaktierung nicht erlauben, da entsprechend ausgeführte Durchkontaktierungen in vertikaler Richtung durch die großflächig ausgebildeten Metalllagen kurzgeschlossen würden. Kontaktierungen zwischen der Oberseite und der Unterseite des Trägersubstrats sind bei solchen bekannten Substraten deshalb nicht möglich.

Es ist möglich, dass eine elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Leitung des Trägersubstrats und dem Funktions ^¬ element bezüglich der thermischen Ausdehnung kompensiert sind .

Trotz der verbesserten thermischen Anbindung der funktionalen Strukturen des Funktionselements an die Unterseite des Leis ^¬ tungsmoduls können Temperaturdifferenzen innerhalb des Leis ^¬ tungsmoduls auftreten. Unterschiedliche Materialien im Leis ^¬ tungsmodul haben im Allgemeinen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, weshalb ein Ausbilden von Tempera- turgradienten im Modul ohne weitere Maßnahmen zu thermisch induzierten mechanischen Spannungen führt.

Die Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen bewirkt dadurch eine Verringerung der mechanischen Spannungen und dadurch eine Verringerung der mechanischen Belastungen auf die elektrischen Verbindungsstellen zwischen Trägersubstrat und Funktionselement. Neben der verringerten Defektanfälligkeit durch die Verringerung der thermischen Belastung des Funktionselements und der Verringerung der Defektanfäl- ligkeit durch den Schutz vor unerwünschten elektrischen Impulsen ist somit auch die Defektanfälligkeit gegenüber mecha ^¬ nischen Schäden der Verbindungsstellen zwischen Substrat und Funktionseinheit verringert. Eine bevorzugte Möglichkeit der Kompensation der thermischen Ausdehnungen besteht darin, das gleiche Material für elektrisch leitende Strukturen an der Unterseite des Funkti ^¬ onselements und für elektrisch leitende Strukturen an der Oberseite der Ausnehmung zu verwenden. Dabei sind insbesondere Materialien bevorzugt, die ein iso ^¬ tropes thermisches Ausdehnungsverhalten zeigen und deren Tensor des Ausdehnungskoeffizienten nur Diagonalelemente hat, die von Null verschieden und gleich sind. So ist es möglich, an der Unterseite des Funktionselements und an der Oberseite des Trägersubstrats in der Ausnehmung und für Verbindungen, z. B. Bump-Verbindungen, dazwischen nur Kupfer oder nur Silber zu verwenden. Es ist ferner möglich, dass das Leistungsmodul einen Tempera ^¬ turpuffer umfasst. Das Funktionselement kann in vertikaler Richtung von der Unterseite der Ausnehmung, die durch die dortige lokale Oberseite des Trägersubstrats gebildet wird, oder in horizontaler Richtung von Seitenwänden der Ausnehmung beabstandet sein. Entsprechend existiert ein vertikaler Spalt neben dem Funktionselement oder ein horizontaler Spalt zwischen Funktionselement und dem „Boden" der Ausnehmung. Dieser Spalt kann durch das Material des Temperaturpuffers ausge ^¬ füllt sein. In horizontaler Richtung kann das Funktionsele- ment einen ersten Koeffizienten aufweisen. Das Trägersubstrat kann in der horizontalen Richtung einen zweiten, vom ersten Koeffizienten verschiedenen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten haben. Bei Temperaturänderung ändern sich die Breiten des Funktionselements und der Ausnehmung unterschiedlich stark. Entsprechend wird der Spalt größer oder kleiner. Der Tempera ^¬ turpuffer hat vorzugsweise einen Temperatur-Ausdehnungskoef ^¬ fizienten, der im Wesentlichen dem - rechnerisch leicht ermittelbaren - „Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten" des Spalts entspricht. Das heißt, dass durch den Temperaturpuffer bei jeder Temperatur und bei Temperaturänderungen eine formschlüssige Verbindung zwischen Trägersubstrat und Funktions ^¬ element gegeben ist, wodurch die mechanische Stabilität des Leistungsmoduls erhöht ist. Insbesondere ist es möglich, dass die Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten des Spalts und des Temperaturpuffers sich um 5 ppm/K oder weniger unterscheiden.

Es ist möglich, dass das Leistungsmodul eine Treiberschaltung zur Ansteuerung des Funktionselements umfasst. Die Treiber ^¬ schaltung kann dabei auf oder über dem Trägersubstrat ange ^¬ ordnet oder im Trägersubstrat integriert sein. Die Treiber ^¬ schaltung kann auch auf oder über dem Funktionselement angeordnet oder im Funktionselement integriert sein.

Hat das Leistungsmodul mehr als ein Funktionselement, so kann eine einzige Treiberschaltung mehrere oder alle Funktionsele ^¬ mente ansteuern. Alternativ ist es auch möglich, dass pro Funktionselement eine eigene Treiberschaltung vorgesehen ist oder dass es verschiedene Gruppen von Funktionselementen gibt und je eine Treiberschaltung für jede Gruppe an Funktionsele ^¬ menten vorgesehen ist.

Es ist möglich, dass das Leistungsmodul einen Sensor umfasst. Der Sensor kann auf oder über dem Trägersubstrat angeordnet oder im Trägersubstrat integriert sein. Es ist auch möglich, dass der Sensor auf oder über dem Funktionselement angeordnet ist oder im Funktionselement integriert ist. Der Sensor kann insbesondere ein Temperatursensor sein, der das stets aktuelle Temperaturniveau des Funktionselements, des Trägersubstrats oder des gesamten Leistungsmoduls beo ^¬ bachtet und Temperaturwerte an die Treiberschaltung weiter ^¬ leitet . In der Treiberschaltung kann eine Schaltungslogik integriert sein, die die Aktivität des Funktionselements oder der Viel ^¬ zahl von Funktionselementen in Abhängigkeit von externen Steuersignalen und in Abhängigkeit vom gemessenen Wert des Sensors regelt oder steuert.

Es ist möglich, dass das Leistungsmodul eine Vielzahl von Funktionselementen aufweist. Die Funktionselemente können in einer regelmäßigen Anordnung zusammen in der Ausnehmung oder in eigenen Ausnehmungen positioniert sein. Die Funktionsele- mente können dabei insbesondere in Zeilen und Spalten, also in einer Matrixanordnung, positioniert sein.

Entsprechend ist es möglich, dass das Leistungsmodul ein LED- Matrixmodul ist.

Es ist möglich, dass eine oder mehrere dielektrische Lagen des Trägersubstrats ein keramisches Material umfassen oder aus einem keramischen Material bestehen oder ein organisches Material umfassen oder aus einem organischen Material beste- hen oder ein Glas umfassen oder aus einem Glas bestehen.

Als keramisches Material kommen z.B. A1N und AI ₂ O ₃ in Frage. Als organisches Material kommt ein Harz in Frage. Als Glas kommen übliche Gläser in Frage.

Es ist auch möglich, dass das dielektrische Material im Trä ^¬ gersubstrat ein Standardmaterialen für Leiterplatten, z. B. Multilayer-Leiterplatten, z. B. FR4, ist. Es ist möglich, dass das Leistungsmodul als Leuchtmittel, z. B. als Fernlicht, Abblendlicht oder Tagfahrlicht oder als

Fahrtrichtungsanzeiger (Blinker) Verwendung findet.

Nachfolgend werden Funktionsprinzipien des Leistungsmoduls und ausgewählte Details von möglichen Ausführungsformen anhand der schematischen Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: die Position eines Funktionselements in einer Aus ^¬ nehmung im Trägersubstrat,

Fig. 2: ein Funktionselement mit einer funktionalen Struktur und einer Wärmebrücke,

Fig. 3: eine Ausführung der Wärmebrücke mit einem Mehrla ^¬ genaufbau,

Fig. 4: die Anordnung des Funktionselements in einer Aus ^¬ nehmung, die das Trägersubstrat vollständig durch ^¬ dringt,

Fig. 5: eine Draufsicht auf eine Matrixanordnung von Funktionselementen,

Fig. 6: eine Anordnung mehrerer Funktionselemente gemeinsam in einer einzigen Ausnehmung,

Fig. 7: ein Funktionselement mit mehreren nebeneinander angeordneten funktionalen Strukturen und einem ESD- Schutz in der Wärmebrücke, Fig. 8: ein Leistungsmodul mit einem Sensor,

Fig. 9: ein Leistungsmodul mit einer Treiberschaltung. Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbaus eines Leistungsmoduls LM mit einem Trägersubstrat TS, welches mehrere Lagen auf ^¬ weist. Dazu zählen insbesondere dielektrische Lagen DL aus einem isolierenden Material und Metallisierungslagen ML, in denen elektrische Strukturen gebildet sein können. Im Trä- gersubstrat TS gibt es eine Ausnehmung AN, in welcher das

Funktionselement FE angeordnet ist. Die in Figur 1 gezeigte Ausnehmung hat die Form eines so genannten Sacklochs, d. h. die Ausnehmung hat einen Boden. Auf dem Boden der Ausnehmung sitzt das Funktionselement FE. Bei einem Leistungsmodul LM mit einer Ausnehmung AN, die nur in einer Richtung offen ist, ist die Seite, zu der die Ausnehmung AN offen ist, die Oberseite OS. Die gegenüberliegende Seite ist die Unterseite US.

Das Funktionselement FE ist über einen elektrischen Kontakt EK mit der elektrischen Leitung EL, z. B. gebildet in einer Metallisierungslage, verschaltet .

Wärme, die im Funktionselement FE, insbesondere an der Ober ^¬ seite des Funktionselements FE, gebildet wird, durchdringt das Funktionselement FE mit geringem Widerstand. Damit diese Wärme über die Unterseite US des Leistungsmoduls LM an eine externe Umgebung abgegeben werden kann, ist im Falle eines Sacklochs als Ausnehmung AN eine geringere Menge an Material des Trägersubstrats zu überwinden, als wenn das Funktionsele- ment FE nicht in einer Ausnehmung, sondern auf der Oberseite OS des Trägersubstrats angeordnet wäre. Entsprechend ist es auch bevorzugt, wenn die lokale Dicke des Trägersubstrats TS im Bereich der Ausnehmung AN geringer ist als lokal in einem Bereich ohne Ausnehmung. Figur 2 zeigt eine Anordnung, bei der das Funktionselement FE zwei übereinander angeordnete Bereiche hat. Den oberen Be ^¬ reich bildet ein Abschnitt mit funktionalen Strukturen FS, die z. B. eine elektrische oder elektronische oder optische Funktion realisieren. Darunter ist die Wärmebrücke WB ange- ordnet, die im oberen Abschnitt erzeugte Wärme an die Unter- seite des Funktionselements FE und damit an die Unterseite des Leistungsmoduls führt.

Um einen Übertrag der Wärme an die Unterseite des Leistungs- moduls zu vereinfachen, ist die Wärmebrücke WB über eine thermische Ankopplung TA mit dem Boden der Ausnehmung verbunden. Über die thermische Ankopplung TA, z. B. gebildet durch Leitpaste oder eine Metallisierung, ist der thermische Widerstand verringert. Die thermische Ankopplung TA umfasst dabei vorzugsweise Materialien mit geringem thermischem Widerstand, z. B. Kupfer oder Silber.

An der Unterseite des Leistungsmoduls können Anschlusspads AP vorgesehen sein, die z. B. durch eine UBM (UBM = Under-Bump Metallization) gebildet sind. Über ein solches Anschlusspad kann das Leistungsmodul über eine Bump-Verbindung BU mit ei ^¬ ner externen Umgebung verbunden und verschaltet sein.

Figur 3 zeigt Details eines Leistungsmoduls, bei dem die Wär ^¬ mebrücke WB einen Mehrlagenaufbau hat. Darin sind dielektri- sehe Lagen und Metallisierungslagen übereinander angeordnet. Eine solche Struktur leitet Wärme gut, wenn das Material der dielektrischen Lage entsprechend gewählt ist. Eine solche Wärmebrücke WB kann zusätzlich zum Abführen von Wärme eine elektrische oder elektrische Funktion bereitstellen. So ist es möglich, dass Elektroden in den Metallisierungslagen gebildet sind. Die Elektroden werden durch dielektrisches Mate ^¬ rial in vertikaler Richtung voneinander getrennt. In vertika- 1er Richtung benachbarte Elektroden sind unterschiedlichen Anschlüssen zugeordnet. Ist das dielektrische Material eine Varistorkeramik, so sind die beiden unterschiedlichen Anschlüsse bezüglich einer niedrigen elektrischen Spannung voneinander isoliert. Liegt an den beiden unterschiedlichen An- Schlüssen eine hohe Spannung an, z. B. ein ESD-Puls, so zeigt die Varistorkeramik einen verringerten elektrischen Widerstand und der ESD-Puls kann an ein Referenzpotenzial abgelei ^¬ tet werden. Die Wärmebrücke WB hat vertikale Durchkontaktierungen DK

(Vias) , über die die funktionalen Strukturen FS an der Oberseite des Funktionselements mit strukturierten Metallisierun ^¬ gen des Trägersubstrats verschaltet sind. Auch im mehrlagig ausgeführten Trägersubstrat gibt es Durch ^¬ kontaktierungen DK, die Schaltungselemente oder Leitungen unterschiedlicher Metallisierungslagen miteinander verbinden. Über Durchkontaktierungen DK ist es möglich, dass alle externen Anschlüsse des Leistungsmoduls auf einer Seite des Leis- tungsmoduls angeordnet sind, was die Integration in eine ex ^¬ terne Schaltungsumgebung erleichtert.

Der Mehrlagenaufbau des Funktionselements FE hat eine zusätz ^¬ liche Umverdrahtung UV, um das elektrische Kontaktieren der funktionalen Strukturen an Anschlusskontakte an der Wärmebrücke WB zu vereinfachen. In horizontaler Richtung ist das Funktionselement FE von den Seitenwänden der Ausnehmung beabstandet. Dieses Volumen ist durch Material eines Temperaturpuffers TP gefüllt, der einen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten hat, der so gewählt ist, dass die Zu- bzw. Abnahme des Puffers TP der Zu- bzw. Abnahme der Breite des Spalts gleicht.

Figur 4 zeigt eine Form eines Leistungsmoduls, bei dem die Ausnehmung das Trägersubstrat vollständig und im gesamten Be- reich der Grundfläche durchdringt. Um die Gesamthöhe des

Leistungsmoduls maximal zu verringern, ist das Funktionsele ^¬ ment vollständig im Trägersubstrat eingebettet. Um die In ^¬ tegration in eine externe Umgebung zu vereinfachen und insbesondere um die Wärmeabgabe nach unten zu vereinfachen, sind die Unterseite des Funktionselements FE, insbesondere dessen Wärmebrücke WB, und die Unterseite US des Trägersubstrats bündig ausgerichtet, sodass eine im Wesentlichen glatte Un ^¬ terseite des gesamten Leistungsmoduls erhalten wird. Elektrische Kontakte an der Unterseite des Funktionselements können dann aus der Unterseite des Leistungsmoduls herausra ^¬ gen. Es ist alternativ auch möglich, dass das Funktionselement FE nur so weit in das Trägersubstrat eingebettet ist, dass die Unterseite des Trägersubstrats bündig mit der Unter- seite der elektrischen Kontakte EK abschließt.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Matrixanordnung MA, in der eine Vielzahl an Funktionselementen FE in Zeilen und Spalten ausgerichtet ist.

Figur 6 illustriert die Möglichkeit, eine einzige Ausnehmung vorzusehen und eine Vielzahl an Funktionselementen FE darin anzuordnen. Jedes der Funktionselemente FE kann eine Wärme ^¬ brücke mit Mehrschichtaufbau und funktionalen Strukturen oberhalb der Wärmebrücke umfassen. Die oberste Lage des Trägersubstrats kann ein Spiegel SP sein, der Licht reflektiert. Stellen die funktionalen Strukturen Lichtquellen dar, wird die gesamte Menge an abgestrahltem Licht des Leistungsmoduls erhöht, wenn weniger Licht durch die ansonsten passive Oberseite des Trägersubstrats ab- sorbiert wird.

Figur 7 zeigt die Möglichkeit, mehrere funktionale Strukturen FS in einem einzigen Funktionselement FE vorzusehen. Die Wärmebrücke des Funktionselements FE hat einen Mehrschichtaufbau mit Varistormaterial und stellt eine ESD-Schutzfunktion zur Verfügung .

Figur 8 zeigt die Möglichkeit, einen Sensor direkt auf der Oberseite des Funktionselements FE anzuordnen. Alternativ kann der Sensor auch im Mehrlagenaufbau des Funktionselements oder auf oder im Trägersubstrat angeordnet sein.

So zeigt Figur 9 die Möglichkeit, den Sensor S im Inneren des Mehrlagenaufbaus des Trägersubstrats anzuordnen. Auf dem Funktionselement FE ist dagegen eine Treiberschaltung TSG an ^¬ geordnet, um die funktionalen Strukturen anzusteuern und ihre Arbeitsweise zu steuern oder zu regeln. Die Treiberschaltung TSG kann dabei ebenfalls elektrische oder elektronische Leis ^¬ tungsbauelemente enthalten. Eine Anordnung auf der Wärmebrü- cke ist in diesem Fall bevorzugt. Das Leistungsmodul und die Verwendung des Leistungsmoduls sind durch die beschriebenen technischen Merkmale und die gezeigten Details nicht beschränkt. Leistungsmodule mit zusätz ^¬ lichen Schaltungselementen, zusätzlichen Anschlüssen und zu- sätzlichen Ausnehmungen sind ebenso im Schutzumfang enthalten .

Bezugs zeichenliste

AN: Ausnehmung

AP: Anschlusspad

BU: Bump-Verbindung

DK: Durchkontaktierung

DL: dielektrische Lage

EK: elektrischer Kontakt

EL: elektrische Leitung

ESD: ESD-Schutz

FE : Funktionselement

FS : funktionale Struktur

LM: Leistungsmodul

MA: Matrix-Anordnung

ML: Metallisierungslage

OS : Oberseite

S : Sensor

TA: thermische Ankopplun

TP: Temperaturpuffer

TS : Trägersubstrat

TSG: Treiberschaltung

US : Unterseite

UV: Umverdrahtung

VAR: Varistor

WB: Wärmebrücke