Beschreibung

Titel

Substrat-Schaltungsmodul mit Bauteilen in mehreren Kontaktierungsebenen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Schaltungsmodul, bei dem oberflächenbefestigte elektronische Bauteile auf einem Substrat befestigt sind. Ein derartige Befestigungsstruktur ist aus dem Gebiet der oberflächenmontierten Bauteile (surface-mounted technology, SMT) bekannt.

Die Druckschrift DE 100 38 092 Al beschreibt eine elektrische Baugruppe, bei der ein Chip mit einem Kühlkörper verbunden ist, wobei ein IMS-Substrat Leiterbahnen vorsieht, mit dem der Chip verbunden ist. Eine metallische Grundplatte, die den Träger des Substrats bildet, wird zwar zur thermischen Anbindung sowie zur mechanischen Stabilisierung ver- wendet, ist jedoch über eine Isolationsschicht von dem Chip getrennt. Somit zeigt diese Druckschrift eine Verbindungsstruktur, die ausschließlich auf Leiterplatten basiert, die durch eine Isolationsschicht von der metallischen Trägerplatte des Substrats getrennt ist. In gleicher Weise zeigt US 6,441,520 Bl einen Leistungsschaltkreis, bei dem ebenso ein IMS- Substrat (isoliertes Metallsubstrat) verwendet wird. Die auf dem IMS-Substrat vorgesehene Befestigungseinheit umfasst Bauelemente, die mit einer oberen Metallschicht des Substrats verbunden sind. Jedoch ist die Metallschicht, welche Leiterbahnen ausbildet, über eine durchgehende Isolationsschicht von der Trägerschicht getrennt; die Metall-Trägerschicht des IMS-Substrats ist somit durchgehend von einer Isolationsschicht bedeckt. Auch in diesem Dokument wird die Metall-Trägerschicht des IMS-Substrats nur zur mechanischen Stabilität und zur Wärmeableitung verwendet. Beide Dokumente zeigen ein Substrat mit einer Metallschicht, die auf der Kontaktseite des Substrats durchgehend und vollständig eine Isolationsschicht trägt.

IMS-Substrate (IMS - insulated metal Substrate, isoliertes Metallsubstrat) werden als Lei- terplatten für Leistungsbausteine verwendet, wobei eine Metall-Trägerschicht sowohl zur Wärmeableitung als auch zur Erhöhung der mechanischen Stabilität vorgesehen wird. Bei komplexeren Schaltungen, beispielsweise bei dreiphasigen Gleichrichterbrücken ergeben sich jedoch lange Leiterbahnen, da nur die oberste Schicht, d. h. die auf der Isolierschicht vorgesehene Verdrahtungsschicht, welche Leiterbahnen vorsieht, zur Verbindung der Bau-

demente verwendet wird. Da auf Grund der fließenden Ströme die in der Verbindungsschicht vorgesehenen Leiterbahnen eine Mindestbreite aufweisen müssen, ergeben sich ein hoher Flächenbedarf und gleichzeitig lange Verdrahtungswege.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Verbindungstechnik vorzusehen, die die oben genannten Nachteile vermindert.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul sowie das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ermöglichen das Anordnen von Bauteilen mit verbesserter elektromagnetischer Verträglichkeit, verringerter Blindleistung und verringertem Platzbedarf. Die Erfindung ermöglicht einen kompakteren Aufbau unter Zuhilfenahme von üblichen, kostengünstigen Substraten, die mit weitreichend bekannten Verarbeitungstechnologien verarbeitet werden können. Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich unter Verwendung von üblichem Substrat eine weitere Kontaktebene vorsehen, die die Verdrahtung durch Leiterbahnen deutlich vereinfacht. Die verringerte Komplexität führt zu einer verringerten Blindleistung und zur Einsparung von Verdrahtungsfläche. Zudem führt die Erfindung zu einer verbesserten Wärmeableitung von Leistungsbauteilen, die erfindungsgemäß verbunden werden. Die Trägerschicht dient als mechanisch/elektrische Kontaktierungsebene sowie als Wärmesenke/Wärmeableitung. Zudem werden Bonds und andere Verbindungen, die zusätzlich zu den Leiterbahnen vorgesehen werden, eingespart. Die Bauelemente sowie die zugehörigen Anschlüsse des erfindungsgemäßen Schaltungsmoduls können gegenüber dem Stand der Technik mit größeren Freiheitsgraden und höherer Flexibilität angeordnet werden. Zudem ermöglicht die Erfϊn- düng eine Kombination von Starkstromanwendungen und Steueranwendungen auf demselben Substrat. Mit anderen Worten können Leistungsbauteile mit Steuerungs- oder Logikbauteilen auf demselben Substrat angeordnet werden. Dies erhöht zusätzlich die Integrationsdichte. Ferner ermöglicht die Erfindung das Herstellen von Kontakten zwischen Bauteilen und Substrat über eine Niedertemperatur-Sinterverbindung, wobei eine derartige Ver- bindung zu einer erhöhten Temperaturwechselfestigkeit führt.

Im Gegensatz zu substratbasierten Verbindungen gemäß dem Stand der Technik wird erfindungsgemäß die Trägerschicht eines Leistungssubstrats, welches zur Wärmeableitung und zur Erhöhung der mechanischen Stabilität aus Metall gefertigt ist, zur elektrischen Verbin- düng von Bauteilen verwendet. Bislang waren elektrische Bauteile über eine durchgehende Isolationsschicht von der Trägerschicht vollständig getrennt, wobei jedoch erfindungsgemäß in der Isolationsschicht, die die Trägerschicht unmittelbar bedeckt, eine Ausnehmung vorgesehen ist. Durch diese Ausnehmung wird eine erste Oberfläche der Trägerschicht freigelegt, und Raum zur Aufnahme eines Bauteils und/oder Kontaktelements zum Anschluss der Trä-

gerschicht vorgesehen. Um das Bauteil aufzunehmen, ist vorzugsweise an der Ausnehmung in der Isolationsschicht auch eine Ausnehmung in der darüber liegenden Verdrahtungsschicht, üblicherweise einer Kupferfolie, vorgesehen. Die Ausnehmung in der Verdrahtungsschicht ist vorzugsweise mit der Ausnehmung mit der Isolationsschicht ausgerichtet bzw. zumindest an einer Seite bündig mit dieser vorgesehen, wobei gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung die Ausnehmung in der Verdrahtungsschicht eine Fläche vorsieht, in die die Ausnehmung in der Isolationsschicht eingepasst ist, wobei sich zwischen der größeren Ausnehmung in der Verdrahtungsschicht und der Ausnehmung in der Isolationsschicht ein Rahmen bildet. Ferner können sich die Ausnehmungen entsprechen, die gleiche Maße haben, und übereinander fluchtend angeordnet sein.

Als Ausnehmung ist in diesem Zusammenhang eine vollständige Aussparung der Isolationsschicht bzw. der Verdrahtungsschicht für die gesamte Dicke der Isolationsschicht bzw. Verdrahtungsschicht zu verstehen. Die an die Isolationsschicht angrenzende Oberfläche der Trägerschicht, d. h. die erste Oberfläche, bildet somit einer erste Kontaktebene, die alle damit verbundenen Bauteile elektrisch miteinander verbindet. Vorzugsweise ist für jedes Bauteil, das in der ersten Kontaktebene mit der Trägerschicht verbunden ist, eine zugehörige Ausnehmung vorgesehen. Eine zweite Kontaktebenen bildet in bekannter Weise die Verdrahtungsschicht, die auf der Isolationsschicht vorgesehen ist, wobei die Verdrahtungs- schicht vorzugsweise eine Metallschicht ist, die beispielsweise mittels ätzen strukturiert werden kann, um Leiterbahnen auszubilden. Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul kann weitere Kontaktebenen umfassen, die von weiteren Verdrahtungsschichten gebildet werden, die jeweils auf Isolationsschichten angebracht sind. Dadurch wird eine gestapelte Anordnung von Isolationsschichten und Verdrahtungsschichten erreicht, die sich entlang einer Richtung senkrecht zur Trägerschichtebene abwechseln. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Anzahl der Verdrahtungsschichten der Anzahl der Kontaktebenen entspricht, sieht das erfindungsgemäße Verwenden der Trägerschicht des Substrats als elektrischer Leiter eine zusätzliche Kontaktebene vor. Die elektrische Isolierung dieser zusätzlichen Kontaktebene kann mit bekannten Isolationselementen erreicht werden (Glimmer- scheibe oder Isolationsfolie, Isolationsbuchse usw.).

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein dreilagiges IMS-Substrat mit einer metallischen Trägerschicht, einer Isolationsschicht und einer Verdrahtungsschicht verwendet. Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird ein Substrat mit einer metallenen Trägerschicht und jeweils zwei einander abwechselnden Isolationsschichten bzw. Verdrahtungsschichten verwendet, wobei eine der Isolationsschichten eine der Verdrahtungsschichten von der Trägerschicht trennt. Beide Ausführungsformen können ferner Lötstopplack umfassen, der als Schicht auf die Verdrahtungsschicht bzw. die oberste Verdrahtungsschicht aufgebracht ist. Der Lötstopplack kann ferner auch auf anderen Oberflächen aufgebracht

sein, beispielsweise auf einer Isolationsschicht, über der eine Aussparung der Verdrahtungsschicht vorgesehen ist, oder auf der Trägerschicht, die durch Ausnehmungen freigelegt ist.

Je nach Tiefe der Ausnehmung in der Verdrahtungsschicht und in der Isolationsschicht und abhängig von der Höhe des darin befindlichen Bauteils kann die Ausdehnung auch einen seitlichen Schutz für die Bauteile vorsehen, die unmittelbar auf der Trägerschicht aufgebracht sind. Als unmittelbar elektrische Verbindung wird erfindungsgemäß ein Direktkontakt zwischen Bauteil und Trägerschicht bzw. Verdrahtungsschicht bezeichnet, wobei der Direktkontakt vorzugsweise eine Lötverbindung (beispielsweise mittels Lötpaste), eine KIe- beverbindung (unter Verwendung von leitendem Klebemittel) oder eine Niedertemperatur- Sinterverbindung umfasst. Hierzu umfassen die betreffenden Bauteile vorzugsweise Kontaktflächen, die sich in einer Ebene erstrecken, wobei sich die betreffende Kontaktoberfläche der Trägerschicht bzw. die betreffende Kontaktoberfläche der Verdrahtungsschicht vorzugsweise im Wesentlichen in derselben Ebene erstreckt. Die Bauteile, vorzugsweise elekt- rische bzw. elektronische SMD-Bauteile, umfassen somit vorzugsweise Kontaktflächen, die einen unmittelbaren Kontakt mit einer darunter liegenden Schicht, d. h. Trägerschicht oder Verdrahtungsschicht erlauben. Grundsätzlich kann zur Verbindung eines Bauteils in der ersten Kontaktebene, d. h. mit der Trägerschicht, die gleiche Verbindungstechnik verwendet werden, wie für die Verbindung in einer zweiten oder weiteren Kontaktebene, d. h. zwi- sehen Bauteil und der Verdrahtungsschicht bzw. einer der Verdrahtungsschichten.

Die Trägerschicht ist vorzugsweise ein beschichtetes oder unbeschichtetes Metallblech, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Messing, Stahl oder einer Kombination hiervon. Im Allgemeinen bildet die Trägerschicht eine metallische Basis, die erfindungsgemäß neben der Wärmeableitung und zu mechanischen Stabilisierung zum elektrischen Kontaktieren von Bauelementen dient.

Vorzugsweise ist die Isolationsschicht ein Dielektrikum, beispielsweise ein dielektrischer Kunststoff oder ein dielektrisches Polymer, ein Epoxydharz, ein faserverstärktes Polymer, ein Hartpapiermaterial, ein Keramikmaterial oder eine Kombination hiervon, beispielsweise eine mehrlagige Schicht. Vorzugsweise ist das Material trotz der elektrisch isolierenden Eigenschaften Wärme leitend, um gemäß der Wärmeerzeugung der Leistungsanwendung die Wärme an die Trägerschicht übertragen zu können. Die Trägerschicht selbst ist vorzugsweise an einer zweiten Oberfläche, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist, mit einer Wärmesenke verbunden, wie im Weiteren beschrieben ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Verdrahtungsschicht eine beschichtete oder unbeschichtete Metallschicht, eine Kupferschicht, eine einseitig verzinnte Kupferschicht, ein Metallblech oder eine Kombination hiervon. Wie bereits bemerkt, ist die Ver-

drahtungsschicht vorzugsweise strukturiert, um Leiterbahnen vorzusehen. Die Verdrahtungsschicht ist unmittelbar auf eine darunter liegende Isolationsschicht aufgebracht, vorzugsweise geklebt, wobei auch die Isolationsschicht vorzugsweise auf die darunter liegenden Schicht, d. h. eine Verdrahtungsschicht oder die Trägerschicht aufgeklebt ist. Durch die Klebeverbindung grenzen zwei miteinander verklebte Schichten unmittelbar aneinander an.

Ein erfindungsgemäßes Schaltungsmodul umfasst ferner vorzugsweise Bond- Verbindungen oder Lötbrücken zwischen Oberflächen von Bauteilen, die der Trägerschicht abgewandt sind, mit einer der Verdrahtungsschichten oder zur elektrischen Verbindung zwischen ver- schiedenen Leiterbahnen, Kontaktflächen oder Pads, die von der Verdrahtungsschicht oder von den Verdrahtungsschichten ausgebildet werden.

Eine Unterseite der Trägerschicht, d. h. die zweite Oberfläche, die der Isolationsschicht abgewandt ist, weist vorzugsweise eine Wärmesenke oder eine Verbindung (d. h. Kontakt- fläche) für eine Wärmesenke auf. Hierzu wird vorzugsweise die zweite Oberfläche mit einem Wärme leitenden Flächenkontakt vorgesehen oder es wird eine Wärmesenke in Form eines Kühlkörpers verwendet, der eine ebene Verbindungsfläche vorsieht, die mit der zweiten Oberfläche Wärme leitend in Kontakt gebracht wird, und der ferner dazu abgewinkelte Kühlfmger vorsieht. Zwischen der zweiten Oberfläche und der Wärmesenke ist vorzugswei- se eine Schicht vorgesehen, die Wärme übertragend wirkt, beispielsweise eine Schicht Glimmer, Wärmeleitpaste oder ähnliches. Diese Schicht ist vorzugsweise elektrisch isolierend. Die Wärmesenke kann ferner über (elektrisch isolierende) Verbindungselemente mit dem Substrat, beispielsweise mit der Trägerschicht verbunden werden.

Zum Anbringen von Kühlkörpern auf die zweite Oberfläche der Trägerschicht wird z.B. eine elektrisch isolierende Wärmeleitpaste mit oder ohne elektrisch isolierende Kügelchen als Distanzhalter verwendet. Alternativ kann eine Wärme leitende, elektrisch isolierende Folie verwendet werden. Die Dicke der Folie bzw. die Dicke der Schicht der Wärmeleitpaste bzw. der Kügelchen ist vorzugsweise an die Spannung angepasst, die an der Träger- schicht anliegt. Hierbei sind insbesondere Durchschlageffekte zu berücksichtigen.

Neben den oben aufgeführten Verbindungsmöglichkeiten zur elektrischen Kontaktierung kann zusätzlich ein Stanzgitter verwendet werden, das mindestens einen Blechabschnitt vorsieht, welcher mit der Trägerschicht des Substrats oder mit einer der Verdrahtungsschichten verbunden werden kann. Das Stanzgitter umfasst somit zusammenhängende Blechabschnitte, wobei die Blechabschnitte vor der Befestigung beispielsweise über einen umlaufenden Rahmen miteinander verbunden sind. Zur Befestigung der Blechabschnitte mit dem Substrat werden diese vorzugsweise auf das Substrat aufgepresst, beispielsweise mittels eines Stempels oder einer Stanze, um so elektrischen sowie mechanischen Kontakt vorzusehen. Nach-

-D- dem die Blechabschnitte derartig mit dem Substrat verbunden sind, werden alle Blechabschnitte von dem Rahmen (dam bar) durch Stanzen, Laserschneiden, Scheren oder durch andere Trenn- Verarbeitungsvorgänge getrennt. Die Blechabschnitte müssen nicht notwendigerweise alle voneinander getrennt sein, sondern können zum Teil miteinander verbunden bleiben, indem diese entsprechend zusammenhängend von dem Rahmen getrennt werden. Die zur Pressung der Blechabschnitte auf das Substrat vorgesehenen Werkzeuge können ebene Strukturen umfassen, da die Unterlage, d. h. das Substrat des daran zu befestigenden Blechabschnitts eben ist. Gegebenenfalls sind die Ebenen des Werkzeugs in verschiedenen Höhen angeordnet, beispielsweise wenn ein Blechabschnitt auf einer Verdrahtungsschicht und ein Blechabschnitt auf die tiefer gelegene Trägerschicht aufgepresst werden soll. Das Aufbringen des Stanzgitters, welches die Blechabschnitte umfasst, kann im Rahmen eines Transfermoldprozesses ausgeführt werden, so dass das bereits mit Bauteilen versehene Substrat durch den Transfermoldprozess einen effektiven Schutz der Elektronik erhält.

Das Stanzgitter kann aus einem Blech vorgesehen sein, beispielsweise einem beschichteten oder unbeschichteten Stahlblech, Kupferblech, Messingblech oder ähnlichem.

Vorzugsweise bilden die in dem Schaltungsmodul vorgesehenen Bauteile eine Motoransteuerung bzw. die Leistungsendstufe einer Motoransteuerung oder einen DC-DC-Wandler bzw. eine Leistungsendstufe eines DC-DC-Wandlers. Vorzugsweise bilden die Bauteile des Schaltungsmoduls ein dreiphasiges System, beispielsweise einen Vollwellengleichrichter für ein dreiphasiges Drehstromsystem oder eine entsprechende dreiphasige Endstufe zur VoIl- wellenansteuerung mit drei MOSFET-Paaren. Das Spannungsversorgungspotenzial kann zwischen der Trägerschicht und der Verdrahtungsschicht vorgesehen sein, wobei die Ver- drahtungsschicht, die Trägerschicht und eine dazwischen liegende Isolationsschicht ein übliches dreilagiges Substrat bilden können. Ein Substrat kann mit einer oder mit mehreren vollwertigen Dreiphasenansteuerungen ausgestattet werden. Ferner können Bauteile des Schaltungsmoduls als Brückenschaltung mit vier MOSFETs verwendet werden, wobei zwischen sich gegenüber liegenden Verbindungsstellen der Brückenschaltung entweder eine Ausgangs-Motorspannung anliegt oder eine Eingangsspannung anliegt. Die jeweiligen Verbindungen in der Brückenschaltung können durch die Trägerschicht, mindestens eine Verdrahtungsschicht und gegebenenfalls mit Bond- Verbindungen vorgesehen werden.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Konzept wird ferner von einem erfindungsgemäßen Verfahren umgesetzt, bei dem ein Substrat mit einer Trägerschicht, einer darüber liegenden Isolationsschicht und einer über der Isolationsschicht liegenden Verdrahtungsschicht vorgesehen wird, und die Isolationsschicht und die Verdrahtungsschicht bearbeitet werden, um zum Vorsehen der Ausnehmungen Flächenabschnitte der Verdrahtungsschicht und der Isolationsschicht zu entfernen. Die Ausnehmungen in darüber liegenden Schichten (z. B. Ver-

drahtungsschicht(en)) entsprechen vorzugsweise dem Flächenabschnitt, der aus der Isolationsschicht entfernt wird. Der Schritt des Entfernens der jeweiligen Flächenabschnitte, um so die Ausnehmungen vorzusehen, umfasst beispielsweise Lasern oder Fräsen aller Isolationsschichten und Verdrahtungsschichten, die über der Trägerschicht liegen. Daraufhin wird erfindungsgemäß mindestens ein Bauteil angeordnet, d. h. ein elektrisches oder elektronisches Bauteil, wobei das Bauteil in die Ausnehmungen platziert wird und dort befestigt wird. Das Bauteil wird auf der Trägerschicht befestigt, indem eine unmittelbare elektrische Verbindung hergestellt wird zwischen einem Flächenkontakt des Bauteils und einem entsprechend freigelegten Oberflächenabschnitt der Trägerschicht. über die elektrische Ver- bindung wird gleichzeitig eine mechanische Verbindung und eine Wärme leitende Verbindung hergestellt. Der Oberflächenabschnitt ist ein Abschnitt der ersten Oberfläche, in der die erste Kontaktebene verläuft. Die erste Kontaktebene ist die Kontaktebene, die im Vergleich zu Substratstrukturen nach dem Stand der Technik eine zusätzliche elektrische Verbindungsebene vorsieht.

Als Bauteile, die erfindungsgemäß in die Ausnehmungen eingefügt und mit der Trägerschicht verbunden werden, oder die auf eine der Verdrahtungsschichten zur elektrischen Kontaktierung aufgebracht werden, eignen sich SMD-fähige Bauarten von elektrischen Bauelementen wie Leistungsendstufen, Leistungskomponenten, MOSFETs, IGBTs, Dio- den, Shunt-Widerstände, Kondensatoren, insbesondere Keramikkondensatoren, SMD- Induktivitäten, elektrische Verbindungselemente, wie oberflächenmontierte Stecker oder Buchsen, und ähnliches. Insbesondere eignen sich Hochleistungsbauteile, deren Wärme (unter anderem) durch die Isolationsschicht über die Verbindung mit der Trägerschicht oder unmittelbar über die Trägerschicht abgeleitet wird. Neben der Trägerschicht eignen sich auch weitere Wärmesenken, beispielsweise Kühlkörper, die auf der Seite eines elektrischen Bauteils Wärme übertragend angebracht werden, die der zur Trägerschicht hingewandten Seite entgegengesetzt ist. Die Kühlkörper, die auf dem Bauteil angeordnet sind, können die gleichen Kühlkörper sein, die an der Trägerschicht angebracht sind, oder können sich von diesen unterscheiden. Als Kühlkörper zur Befestigung auf einem Bauteil oder auf der Trä- gerschicht eignen sich beispielsweise Kühlkörper aus Metall, Graphit oder Keramik, die eine entsprechende raumgreifende Form zur Abgabe der Wärme in die Umgebung aufweisen. Ebenso wie die an die Trägerschicht angebrachten Kühlkörper können auch auf die Bauteile angebrachte Kühlkörper mittels isolierender Wärmeleitpaste, mit oder ohne nichtleitenden Kügelchen als Distanzhalter, oder mittels einer isolierenden wärmeleitenden Folie elektrisch isoliert befestigt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt

Figur 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes mit Bauteilen bestücktes Schaltungsmodul.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Figur 1 zeigt ein Schaltungsmodul mit einem Substrat 10, das eine aus Metall vorgesehene Trägerschicht 20, eine elektrisch isolierende Isolationsschicht 30 und eine elektrisch leitende Verdrahtungsschicht 40, durch Strukturierung Leiterbahnen und/oder Pads bzw. elektrische Kontaktflächen (nicht dargestellt), vorsieht. Die Trägerschicht 20 ist durchgän- gig, wohingegen die darüber liegende Isolationsschicht 30 eine erste erfindungsgemäße Ausnehmung 50a aufweist, in der die erste Oberfläche der Trägerschicht 20 freigelegt ist und ein Bauteil 60 mit der Trägerschicht 20 über Kontaktelemente 70a in elektrischem Kontakt steht. Eine zweite Ausnehmung 50b sieht ebenso eine freigelegte Kontaktfläche der ersten Oberfläche der Trägerschicht 20 vor, wobei in dem Abschnitt 50b ein Blechab- schnitt 80 auf die Trägerschicht 20 aufgepresst ist. Der Blechabschnitt 80 war während des Herstellungsvorgangs ein Stanzgitter und wurde von dem Rest des Stanzgitters, insbesondere von einem Stanzrahmen, während der Herstellung getrennt. Die Verdrahtungsschicht 40 weist ebenso Unterbrechungen auf, wobei diese zur Strukturierung und somit zur Ausbildung von Leiterbahnen und Kontaktpads in der Verdrahtungsschicht dienen.

Während das mit der Trägerschicht 20 verbundene Bauelement 60 in der ersten Kontaktebene angeordnet ist, ist ein zweites Bauelement 62 mit der zweiten Kontaktebene verbunden, die von der Verdrahtungsschicht 40 gebildet wird. Hierzu weist das Bauteil 62 wie auch Bauteil 60 Kontaktflächen 64a, b auf, die mit zwei verschiedenen Kontaktpads oder Leiterbahnen der Verdrahtungsschicht 40 in Kontakt stehen. Das Bauteil 60 weist im Vergleich zum Bauteil 62 eine durchgängige Kontaktfläche 70a auf, so dass im Gegensatz zu Bauteil 62 nur ein Kontaktübergang realisiert wird, wobei jedoch durch die durchgängige Fläche und den relativ großen Flächeninhalt ein Wärmeübergang mit geringem Widerstand zwischen Bauteil 60 und Trägerschicht 20 vorgesehen wird, um einen guten Wärmetrans- port zu ermöglichen. Die in der Figur 1 dargestellten Kontaktflächen 64a, b, 70a schließen nicht mit dem äußeren Umfang des entsprechenden Bauelements ab, wobei in einem nicht dargestellten Beispiel die Kontaktflächen mit den Kanten der Bauteilunterseite, d. h. der zum Substrat hingerichteten Bauteiloberfläche, abschließen. Somit bildet die Kontaktfläche 70a eine erste Kontaktebene, zusammen mit der Trägerschicht 20, die Kontaktelemen-

te 64a, b eine zweite Kontaktebene mit der Verdrahtungsschicht 40, wobei obere Kontaktflächen 66a, b, c, zusammen mit Bondingdrähten 68a, b eine dritte Kontaktebene vorsehen. Prinzipiell kann eine Bondingverbindung zwischen zwei Bauelementen vorgesehen werden, wie es mit den Kontaktflächen 66a, b und dem Bondingdraht 68a beispielhaft dargestellt ist. Ferner kann die Bondingverbindung auch zwischen einer Kontaktfläche eines Bauelements und der zweiten Kontaktebene (Verdrahtungsschicht 40) vorgesehen werden, wie es in Figur 1 beispielhaft durch die Kontaktfläche 66c, den Bondingdraht 68b und das Kontakt- pad 42 der Verdrahtungsschicht 40 dargestellt ist. Die Bondingverbindung wird durch Aufpressen von Drähten aus (weichem) Metall auf die Kontaktfläche hergestellt, d. h. bei- spielsweise durch Aufpressen von Aluminium oder Golddrähten auf die jeweiligen Kontaktflächen bzw. auf das Kontaktpad der Verdrahtungsschicht 40. Eine weitere, nicht dargestellte Möglichkeit der Bondingverbindung ist die Verbindung zwischen einer oberen Kontaktfläche eines Bauteils, die auf der von dem Substrat abgewandten Seite eines Bauteils vorgesehen ist, und der Trägerschicht 20. Hierzu wird eine erfmdungsgemäße Ausnehmung in der Isolationsschicht 36 sowie in der Verdrahtungsschicht 40 vorgesehen, um dort die erste Oberfläche der Trägerschicht 20 freizulegen, und um beispielsweise durch Aufpressen von Bondingdrähten auf die Trägerschicht 20 eine elektrische Verbindung mit der Trägerschicht 20 vorzusehen. Grundsätzlich kann neben der oben beschriebenen Anbindung von Bauelementen durch Bondingverbindungen mit Kontaktflächen von Bauelementen auch eine An- Schlussverbindung mit der Trägerschicht 20 oder mit der Verdrahtungsschicht 40 durch eine Bondingverbindung vorgesehen werden. Wenn beispielsweise ein Kontaktpad der Verdrahtungsschicht 40 oder die Trägerschicht 20 kontaktiert werden soll, werden Bondingverbindungen eingesetzt, vorzugsweise mit einem stärkeren Drahtdurchmesser, und mit einer Mehrzahl von Drähten, um einen hohen Stromübergang zu ermöglichen. Eine derartige Verbindung kann beispielsweise an der Stelle von Figur 1 vorgesehen werden, an der der Blechabschnitt 80 die Trägerschicht 20 kontaktiert, oder kann dort vorgesehen werden, wo in Figur 1 ein weiterer Blechabschnitt 82 ein von der Verdrahtungsschicht 40 ausgebildetes Kontaktpad kontaktiert. Ein Kontaktpad der Verdrahtungsschicht 40 (oder der Verdrahtungsschichten) kann über einen oder mehrere Bondingdrähte mit einem weiteren Kontakt- päd einer Verdrahtungsschicht 40 oder mit der Trägerschicht 20 (an einer freigelegten Stelle) verbunden sein.

In der Figur 1 ist ferner ein Kühlkörper 90 dargestellt, der über eine Wärme übertragende Verbindung, beispielsweise eine elektrisch isolierende Wärme übertragende Folie oder iso- lierende Wärmeleitpaste 92 mit einer zweiten Oberfläche der Trägerschicht 20 verbunden ist, die der ersten Oberfläche entgegengesetzt ist. Die zweite Oberfläche der Trägerschicht 20 erstreckt sich an der Unterseite des Substrats 10 und somit an der Unterseite der Trägerschicht 20, wohingegen sich die erste Oberfläche auf der Seite der Trägerschicht 20 erstreckt, die zu der Isolationsschicht 30 hingewandt ist.

Grundsätzlich sind die in Figur 1 dargestellten Abmessungen nicht maßstabsgetreu sondern zur besseren Darstellung teilweise stark vergrößert. Insbesondere ist die Dicke der Trägerschicht 20 vorzugsweise größer als die Dicke der Isolationsschicht 30 und größer als die Dicke der Verdrahtungsschicht 40. Die jeweiligen Schichtdicken richten sich nach der erwünschten Steifigkeit der Trägerschicht 20, der Durchschlagsfestigkeit der Isolationsschicht 30 und der Strombeaufschlagung in der Verdrahtungsschicht 40. Im Vergleich zu den Bauteilen 60 und 62 ist der Kühlkörper 90 stark verkleinert dargestellt und soll nur symbolhaft eine geeignete Stelle der Wärmeableitung darstellen. Vorzugsweise ist ein Kühlkörper über den Großteil der zweiten Oberfläche mit der Trägerschicht 20 verbunden, insbesondere an Stellen, die Kontaktflächen von Bauteilen (insbesondere von unmittelbar auf der Trägerschicht 20 angeordneten Bauteilen) gegenüberliegen. Die auf dem Substrat 10 befestigten Bauelemente, in Figur 1 beispielhaft mit den Bezugszeichen 60 und 62 dargestellt, können gleich groß oder verschieden groß sein, können auf der zur Trägerschicht 20 hingewandten Seite unterschiedlich große oder gleich große Kontaktflächen aufweisen und können insbesondere in verschiedenem Maße Wärme erzeugen. Vorzugsweise werden diejenigen Bauelemente, welche in starkem Maße im Betrieb Wärme abgeben, mit der Trägerschicht 20 verbunden, beispielsweise MOSFET-Endstufentransistoren oder IGBT- Endstufentransistoren oder Leistungsgleichrichter, wohingegen Bauteile mit geringer Wär- meabgabe wie Kondensatoren oder Spulen vorzugsweise auf einer der Verdrahtungsschichten 40 oder auf der Verdrahtungsschicht 40 befestigt sind. Bauelemente mit starker Wärmeabgabe können ferner zur Verbesserung der Wärmeabstrahlung einen Kühlkörper auf der Seite aufweisen, die der Trägerschicht 20 abgewandt ist, beispielsweise bei Bauteil 60 an der Stelle, an der die Kontaktflächen 66b und c vorgesehen sind, wobei ein Kühlkörperan- Schluss an die Stelle der Kontaktflächen 66b und c tritt. Vorzugsweise wird die gesamte Unterseite von Bauteilen als Kontaktschicht verwendet, so dass die Kontaktflächen von den Außenkanten der Unterseite der Bauteile begrenzt ist.

Wenn als Bauelement 60 ein Hochleistungs-MOSFET oder IGBT verwendet wird, so sind die Kontaktflächen 66b und c vorzugsweise nicht gleich groß, sondern diejenige Kontaktfläche, welche den Anoden-, Kathoden-, Emitter- oder Kollektoranschluss darstellt, ist im Vergleich zu der anderen Kontaktfläche deutlich vergrößert. Die kleinere Kontaktfläche entspricht in diesem Fall dem Steueranschluss, d. h. dem Basisanschluss oder dem Gate- anschluss. Dementsprechend sind die Bondingverbindungen zwischen dem Steueranschluss und der Verdrahtungsschicht 20 mit vergleichsweise dünnen Drähten ausgeführt und einer geringen Anzahl von Bondingdrähten, wohingegen die größere Fläche vorzugsweise mit stärkeren Drähten bei einer Bondingverbindung angeschlossen wird, wobei auch vorzugsweise eine höhere Anzahl von Drähten verwendet wird. Bei der Einbindung von Hochleistungsanschlüssen (beispielsweise Anoden-, Kathoden-, Kollektor- oder Emitteranschlüssen)

kann somit eine höhere Anzahl von Drähten, beispielsweise mehr als zwei, beispielsweise vier, verwendet werden, die einen stärkeren Drahtdurchmesser aufweisen als Drähte, die zur Anbindung von Steueranschlüssen verwendet werden. Zur Anbindung von Hochleistungsanschlüssen können ferner anstatt Drähten mit kreisförmigem (oder quadratischem) Quer- schnitt auch Drähte bzw. Bleche mit einem lang gestreckten Querschnitt verwendet werden, deren Querschnitt auf Grund der breiten Form einer Vielzahl von stärkeren Bondingdrähten entspricht oder größer als der Gesamtquerschnitt von mehreren Bondingdrähten ist.

Grundsätzlich kann zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Substrats 10 die Ausnehmung aus den über den Trägerschichten 20 liegenden Schichten herausgefräst oder auf andere Weise entfernt werden, beispielsweise durch Lasern. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführung werden die über der Trägerschicht 20 liegenden Schichten vor der Verbindung (Verklebung/Verpressung) mit der Trägerschicht 20 und vor der Verbindung untereinander mit durch die gesamte Schichtdicke reichende Ausnehmungen versehen, beispielsweise durch Stanzen, Schneiden oder ähnliches. Dieses Beispiel ist für Schaltungsmodule einsetzbar, bei denen die Verdrahtungsschicht(en) 40 und die Isolationsschicht(en) 30 auch nach dem Vorsehen aller Ausnehmungen zusammenhängend sind, beispielsweise bei Layouts, bei denen die äußere Umrandung der Ausnehmung auch der Fläche entspricht, die entfernt wird, wobei kein Material innerhalb der Umrandung der Ausnehmung verbleibt. Die Ver- drahtungsschichten 40 können mittels Fotolithografie und ätzen strukturiert werden.

Generell sind erfindungsgemäß passive oder elektrische Bauteile vorgesehen, in der Ausnehmung zumindest zum Teil angeordnet und befestigt zu werden, um dort unmittelbar mit der Trägerschicht 20 elektrisch, mechanisch und Wärme leitend verbunden zu werden. Ne- ben den aufgeführten Bauteilen können auch Kontaktelemente zur elektrischen Kontaktie- rung zumindest zum Teil in der Ausnehmung angeordnet werden. Daher soll erfindungsgemäß als Bauteil eine Komponente verstanden werden, die eine elektrische Funktion aufweist. Die elektrische Funktion kann einfach sein, z.B. Vorsehen eines Steck- oder Lötanschlusses für die Trägerschicht 20, oder kann komplex sein, z.B. Schalten eines starken Stroms, wie es ein MOSFET, Thyristor, TRIAC, oder IGBT vorsieht.