Schaltungssubstrat für ein Halbleitermodul, Halbleitermodul sowie Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schaltungssubstrat für ein Halbleitermodul, ein Halbleitermodul sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls.

Halbleitermodule mit mehreren Halbleiterbauelementen, beispielsweise Leistungsbauelementen, umfassen als Schaltungssubstrat typischerweise entweder Leiterplatten aus einem Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff (FR4), die mehrlagig ausgebildet sein können, verhältnismäßig preiswert sind und zudem sowohl SMD (Surface Mounted Device)-Verbindungstechniken als auch Verbindungstechniken wie Pressfit oder TRT (through hole technology) zulassen und somit vielseitig einsetzbar sind.

Alternativ können insbesondere Leistungshalbleitermodule auch DCB (direct copper bonded)- oder IMS (insulated metal substrate)-Substrate aufweisen, die typischerweise lediglich einlagig ausgebildet sind und eine metallische Basisplatte beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer aufweisen, auf der eine dielektrische Schicht und darauf eine Verdrahtungslage beispielsweise aus Kupfer aufgebracht ist. Derartige Substrate ermöglichen eine besonders gute Wärmeableitung, erlauben jedoch nur den Einsatz von SMD-Verbindungstechniken, da andere Verbindungstechniken wegen der elektrisch leitfähigen metallischen Basisplatte aufwändige Isolierungen notwendig machen und die Anbindung eines Kühlkörpers erschweren würden.

Aus der DE 102015223551 A1 ist ein Schaltungssubstrat für ein Halbleitermodul bekannt, bei dem Trägerplatten unterschiedlicher Technologien zu einem selbsttragenden Hybridsubstrat kombiniert werden, wobei eine beispielsweise als DBC-Substrat ausgebildete Teilträgereinlage in ein PCB-Substrat eingebettet und mit diesem verpresst wird. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues Schaltungssubstrat für ein Halbleitermodul anzugeben, das insbesondere einfach herstellbar ist, flexibel einsetzbar ist und/oder sowohl die Vorteile einer Leiterplatte aus Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff als auch die einer Metallkernleiterplatte aufweist und besonders für den Einsatz in Leistungshalbleitermodulen geeignet ist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls angegeben werden.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Schaltungssubstrat für ein Halbleitermodul angegeben, wobei das Schaltungssubstrat zumindest eine aus einem Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff ausgebildete erste Leiterplatte und zumindest eine als Metallkern-Leiterplatte ausgebildete zweite Leiterplatte aufweist. Die zumindest eine zweite Leiterplatte ist in einer Aussparung der ersten Leiterplatte angeordnet und mit dieser mittels einer Lötverbindung, insbesondere mittels einer SMD-Lötverbindung, verbunden.

Unter einer aus einem Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff ausgebildeten Leiterplatte wird hier und im Folgenden eine in Halbleiterbauteilen eingesetzte Leiterplatte mit einer elektrisch nicht leitenden Trägermatrix insbesondere aus FR4-Material verstanden, die eine oder mehrere Leiterbahnlagen beispielsweise aus Kupfer aufweist. Derartige Leiterplatten weisen ein in das Epoxidharz eingebettetes Glasfasergewebe auf.

Unter einer Metallkernleiterplatte wird hier und im Folgenden eine Leiterplatte verstanden, wie sie auch unter den Bezeichnungen DCB-Substrat oder IMS bekannt ist und die mindestens eine auf eine metallische Basisplatte aufgebrachte dielektrische Schicht sowie eine darauf angeordnete Leiterbahnlage aufweist. Dass die zweite Leiterplatte mit der ersten Leiterplatte mittels einer Lötverbindung verbunden ist, kann beispielsweise bedeuten, dass zwischen den beiden Leiterplatten - vorzugsweise stellenweise - eine Lotschicht angeordnet ist, an welche die erste und die zweite Leiterplatte an gegenüberliegenden Seiten angrenzen, so dass die Lotschicht die Leiterplatten elektrisch und mechanisch verbindet. Dass die Lötverbindung eine SMD-Lötverbindung ist bedeutet insbesondere, dass die Lötverbindung mittels SMD-Technologie hergestellt ist. Die Herstellung der Lötverbindung mittels SMD-Technologie kann beispielsweise das Aufdrucken einer Lotpaste auf die erste und/oder die zweite Leiterplatte, nachfolgendes Zusammenfügen der Leiterplatten und Erwärmen der zusammengefügten Leiterplatten in einem Ofen zum Schmelzen der Lotpaste beinhalten.

Das Schaltungssubstrat hat den Vorteil, dass es in manchen Bereichen die Vorteile einer Metallkern-Leiterplatte aufweist, nämlich dort, wo eine besonders wirksame Entwärmung erzielt werden soll, und in anderen Bereichen die Vorteile einer Leiterplatte aus einem Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff.

Insbesondere stellt die zweite Leiterplatte ein Substrat zur Verfügung, das besonders zur Bestückung mit Leistungsbauelementen geeignet ist, weil es eine besonders gute Entwärmung ermöglicht. Die erste Leiterplatte hingegen erlaubt eine besonders einfache und vielseitige Anbindung an weitere Leiterplatten oder auf der ersten Leiterplatte angeordnete Bauelemente, beispielsweise eine Steuerung für Leistungsbauelemente. Die erste Leiterplatte ermöglicht somit den Einsatz umfangreicher Möglichkeiten der Anschlusstechnik sowohl nach außen als auch zu auf der ersten Leiterplatte angeordneten Bauteilen.

Somit ist das Schaltungssubstrat besonders gut zur Herstellung eines Leistungshalbleitermoduls geeignet, bei dem eine Mehrzahl von Leistungsbauelementen wirksam entwärmt werden muss und gleichzeitig eine Steuerung für die Leistungsbauelemente auf einfache Weise elektrisch angebunden werden muss. Gemäß einer Ausführungsform weist die erste Leiterplatte eine Mehrzahl von Aussparungen auf und in jeder der Aussparungen ist eine als Metallkern-Leiterplatte ausgebildete zweite Leiterplatte angeordnet.

Ein derartiges Schaltungssubstrat ist besonders geeignet zur Aufnahme mehrerer Leistungsbauelemente zur Bildung eines Leistungshalbleitermoduls beispielsweise zur Anwendung in einer Hochvoltbatteriebox eines Elektrofahrzeugs.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Lötverbindung zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte dadurch ausgebildet, dass sowohl die zumindest eine erste Leiterplatte als auch die zumindest eine zweite Leiterplatte korrespondierende Lotpads aufweisen, die über ein Lotmaterial miteinander verbunden sind.

Bei dieser Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte stellenweise überlappen, insbesondere in Bereichen rund um die Aussparungen, sodass beispielsweise eine Oberseite der zweiten Leiterplatte mit einer Unterseite der ersten Leiterplatte in Kontakt kommt. Im Kontaktbereich weisen die beiden Leiterplatten jeweils korrespondierende, d.h. aufeinanderpassende, Lotpads auf, die in einem SMD-Lötprozess mittels eines Lotmaterials miteinander verbunden werden.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die beiden Leiterplatten auf besonders einfache Weise mechanisch und elektrisch miteinander verbunden werden können. Insbesondere können auf einfache Weise eine Vielzahl von Verbindungspunkten hergestellt und in einem einzigen Lötprozess miteinander verbunden werden.

Gemäß einer Ausführungsform weist die zumindest eine als Metallkern-Leiterplatte ausgebildete zweite Leiterplatte eine Aluminium-Basisplatte auf, auf der eine einlagige Leiterbahnstruktur mit einer dielektrischen Schicht aus mit Keramikpulver gefülltem Polymer angeordnet ist.

Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Leiterplatte in bekannter Weise als sogenanntes IMS-Substrat ausgebildet. Die Verwendung einer Metall-Basisplatte beispielsweise Aluminium hat den Vorteil, dass das Schaltungssubstrat gleichzeitig kostengünstig ist und dazu eine gute Entwärmung ermöglicht.

Gemäß einer Ausführungsform weist die zumindest eine erste Leiterplatte eine mehrlagige Leiterbahnstruktur aus mehreren elektrisch leitenden und mehreren elektrisch isolierenden Schichten auf.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die mehrlagig ausgebildete erste Leiterplatte eine besonders gute Entflechtung der Anschlüsse erlaubt. Dies erlaubt besonders flexible Möglichkeiten für die Layoutgestaltung der Schaltung.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Halbleitermodul mit dem beschriebenen Schaltungssubstrat angegeben, wobei auf einer Oberseite der zumindest einen zweiten Leiterplatte ein Leistungsbauelement angeordnet ist.

Auf einer Oberseite der zumindest einen ersten Leiterplatte kann zudem eine Steuerung für das Leistungsbauelement angeordnet sein. Weist das Halbleitermodul mehr als ein Leistungsbauelement auf, kann die Steuerung als Steuerung für die Mehrzahl von Leistungsbauelementen ausgebildet sein. Eine Steuerung ist dabei insbesondere eine elektronische Schaltung, die zur Steuerung - beispielsweise zum Schalten und/oder Regeln des Leistungsbauelements bzw. der Leistungsbauelemente - ausgebildet ist.

Gemäß einer Ausführungsform steht eine Unterseite der zumindest einen zweiten Leiterplatte in Kontakt mit einem Kühlkörper. Insbesondere steht sie in direktem mechanischen Kontakt mit dem Kühlkörper oder ist mittels einer Schicht aus Wärmeleitpaste mit dem Kühlkörper verbunden.

Bei dieser Ausführungsform wird eine besonders gute Entwärmung der Leistungsbauelemente dadurch erreicht, dass die zweiten Leiterplatten direkt gekühlt werden. Der Kühlkörper kann Teil einer Luft- oder Flüssigkeitskühlung des Halbleitermoduls sein. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Halbleitermodul zumindest eine weitere Leiterplatte, die mit dem Schaltungssubstrat elektrisch über Anschlüsse der ersten Leiterplatte verbunden ist.

Bei dieser Ausführungsform wird vorteilhaft ausgenutzt, dass die erste Leiterplatte aufgrund ihrer Ausbildung als Leiterplatte aus einem

Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff besonders flexible Möglichkeiten der Anschlusstechnik bietet.

Auf der zumindest einen zweiten Leiterplatte angeordnete Leistungsbauelemente werden somit lediglich über die Lötverbindungen zur ersten Leiterplatte kontaktiert.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls angegeben, das das Bereitstellen zumindest einer aus einem Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff ausgebildeten ersten Leiterplatte, das Bereitstellen zumindest einer als Metallkern-Leiterplatte ausgebildeten, mit zumindest einem Leistungsbauelement bestückten zweiten Leiterplatte sowie das Anordnen der zumindest einen zweiten Leiterplatte in einer Aussparung der ersten Leiterplatte umfasst. Ferner umfasst das Verfahren das Verbinden der zumindest einen zweiten Leiterplatte mit der ersten Leiterplatte über eine Lötverbindung.

Die Lötverbindung zwischen der ersten und der zweiten Leiterplatte wird beispielsweise dadurch ausgebildet, dass sowohl die erste Leiterplatte als auch die zumindest eine zweite Leiterplatte korrespondierende Lotpads aufweisen, die über ein Lotmaterial miteinander verbunden werden.

Dazu ist es bei einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte stellenweise überlappen, insbesondere in Bereichen rund um die Aussparungen, sodass eine Oberseite der zweiten Leiterplatte mit einer Unterseite der ersten Leiterplatte in Kontakt kommt. Im Kontaktbereich weisen die beiden Leiterplatten jeweils korrespondierende, d.h. aufeinanderpassende, Lotpads auf, die in einem SMD-Lötprozess mittels eines Lotmaterials miteinander verbunden werden. Dabei kann das zumindest eine Leistungsbauelement während des Verbindens der zumindest einen zweiten Leiterplatte mit der ersten Leiterplatte über eine Lötverbindung mittels eines SMD-Klebstoffs fixiert werden, insbesondere um ein Verschwimmen des Leistungsbauelements bei einem Aufschmelzen oder erneuten Aufschmelzen des Lots zu vermeiden.

Das Verfahren stellt eine besonders einfache Möglichkeit zur Bereitstellung eines Halbleitermoduls sowie eines Schaltungssubstrats zur Verfügung, das die bereits weiter oben beschriebenen Vorteile aufweist.

Im folgenden Text sind weitere Aspekte der vorliegenden Offenbarung beschrieben, wobei die einzelnen Aspekte nummeriert sind, um die Bezugnahme auf Merkmale anderer Aspekte zu erleichtern.

1 . Schaltungssubstrat für ein Halbleitermodul, wobei das Schaltungssubstrat folgendes aufweist:

- zumindest eine aus einem Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff ausgebildete erste Leiterplatte,

- zumindest eine als Metallkern-Leiterplatte ausgebildete zweite Leiterplatte, wobei die zumindest eine zweite Leiterplatte in einer Aussparung der ersten Leiterplatte angeordnet und mit dieser mittels einer Lötverbindung verbunden ist.

2. Schaltungssubstrat nach Aspekt 1 , wobei die erste Leiterplatte eine Mehrzahl von Aussparungen aufweist und in jeder der Aussparungen eine als Metallkern-Leiterplatte ausgebildete zweite Leiterplatte angeordnet ist.

3. Schaltungssubstrat nach Aspekt 1 oder 2, wobei die Lötverbindung dadurch ausgebildet ist, dass sowohl die zumindest eine erste Leiterplatte als auch die zumindest eine zweite Leiterplatte korrespondierende Lotpads aufweisen, die über ein Lotmaterial miteinander verbunden sind. 4. Schaltungssubstrat nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die Lötverbindung als SMD-Lötverbindung ausgebildet ist.

5. Schaltungssubstrat nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die zumindest eine als Metallkern-Leiterplatte ausgebildete zweite Leiterplatte eine Aluminium-Basisplatte aufweist, auf der eine einlagige Leiterbahnstruktur mit einer dielektrischen Schicht angeordnet ist.

6. Schaltungssubstrat nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei die zumindest eine erste Leiterplatte eine mehrlagige Leiterbahnstruktur aus mehreren elektrisch leitenden und mehreren elektrisch isolierenden Schichten aufweist.

7. Halbleitermodul mit einem Schaltungssubstrat nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei auf einer Oberseite der zumindest einen zweiten Leiterplatte ein Leistungsbauelement angeordnet ist.

8. Halbleitermodul nach Aspekt 7, wobei auf einer Oberseite der zumindest einen ersten Leiterplatte eine Steuerung für das Leistungsbauelement angeordnet ist.

9. Halbleitermodul nach Aspekt 7 oder 8, wobei eine Unterseite der zumindest einen zweiten Leiterplatte in Kontakt mit einem Kühlkörper steht.

10. Halbleitermodul nach einem der Aspekte 7 bis 9, wobei das Halbleitermodul zumindest eine weitere Leiterplatte umfasst, die mit dem Schaltungssubstrat elektrisch über Anschlüsse der ersten Leiterplatte verbunden ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Halbleitermoduls, das folgendes aufweist:

- Bereitstellen zumindest einer aus einem

Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff ausgebildeten ersten Leiterplatte, - Bereitstellen zumindest einer als Metallkern-Leiterplatte ausgebildeten, mit zumindest einem Leistungsbauelement bestückten zweiten Leiterplatte, - Anordnen der zumindest einen zweiten Leiterplatte in einer Aussparung der ersten Leiterplatte und

- Verbinden der zumindest einen zweiten Leiterplatte mit der ersten Leiterplatte mittels einer Lötverbindung.

12. Verfahren nach Aspekt 11 , wobei das zumindest eine Leistungsbauelement während des Verbindens der zumindest einen zweiten Leiterplatte mit der ersten Leiterplatte mittels der Lötverbindung mittels eines SMD-Klebstoffs fixiert wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft beschrieben.

Figur 1 zeigt in Draufsicht ein Halbleitermodul gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 zeigt eine Schnittansicht des Halbleitermoduls gemäß Figur 1 und Figur 3 zeigt ein Detail der Figur 2.

Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf einen Halbleitermodul 1 mit einem Gehäuse 2, in dem ein Schaltungssubstrat 4 mit darauf angeordneten Halbleiterbauelementen 6 angeordnet ist. Bei den Halbleiterbauelementen 6 handelt es sich um Leistungshalbleiterbauelemente, die im Betrieb verhältnismäßig hohe Verlustleistungen aufweisen und somit eine wirksame Entwärmung erforderlich machen.

Das Schaltungssubstrat 4 weist eine erste Leiterplatte 8 auf, die einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbundwerkstoff mit Leiterbahnstrukturen aufweist. Ferner weist das Schaltungssubstrat 4 mehrere, in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform insgesamt neun, zweite Leiterplatten 10 auf, die in Aussparungen der ersten Leiterplatte 8 angeordnet sind und die als Metallkern-Leiterplatten ausgebildet sind. Die Halbleiterbauelemente 6 sind auf den zweiten Leiterplatten 10 angeordnet.

Die Halbleiterbauelemente 6 sind als oberflächenmontierte Bauelemente ausgebildet und auf den Oberseiten 12 der zweiten Leiterplatten 10 aufgebracht. Die erste Leiterplatte 8 stellt nicht gezeigte Möglichkeiten zu Kontaktierung des gesamten Halbleitermoduls 1 zur Verfügung.

Die Figuren 2 und 3 zeigen das Halbleitermodul 1 in einer Schnittansicht, wobei Figur 3 das Detail D aus Figur 2 zeigt.

In der Schnittansicht ist erkennbar, dass die zweiten Leiterplatten 10 in Aussparungen 16 der ersten Leiterplatte 8 angeordnet sind, wobei die zweiten Leiterplatten 10 derart unterhalb der ersten Leiterplatte 8 angeordnet sind, dass in Randbereichen der Aussparungen 16 die Leiterplatten 8, 10 überlappen uns die Oberseiten 12 der zweiten Leiterplatten 10 an Unterseiten 14 der ersten Leiterplatte 8 zu liegen kommen.

Dies ist insbesondere im Detail in Figur 3 erkennbar. In den überlappenden Bereichen weisen die zweiten Leiterplatten 10 Lotpads 18 auf, die an der Oberseite 12 der Leiterplatte 12 freiliegen. Die erste Leiterplatte 8 weist Lotpads 20 auf, die an ihrer Unterseite 14 freiliegen. Die Lotpads 18, 20 korrespondieren derart zueinander, dass sie beim Einfügen der zweiten Leiterplatten 10 in die Aussparungen 16 der ersten Leiterplatte 8 aufeinander zu liegen kommen.

Zur Verbindung der zweiten Leiterplatten 10 mit der ersten Leiterplatte 8 wird ein Lotmaterial zwischen den Lotpads 18, 20 eingebracht und in einem Reflow-Prozess verlötet, um eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen den zweiten Leiterplatten 10 und der ersten Leiterplatte 8 zu schaffen.

Die zweiten Leiterplatten 10, die in der gezeigten Ausführungsform als IMS-Substrate ausgebildet sind, stehen an ihrer metallischen Unterseite 13 mit einem Kühlkörper 22 des Halbleitermoduls 1 in Kontakt. In der gezeigten Ausführungsform weist der Kühlkörper 22 Rippen auf, die für eine noch bessere Entwärmung von einer Kühlflüssigkeit umspült werden können.