DE3520945C2

DE3520945C2 -

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Publication number: DE3520945C2
Application number: DE19853520945
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. 3360 Osterode De Sachs
Original assignee: Anton Piller & Co Kg 3360 Osterode De GmbH
Current assignee: Anton Piller & Co Kg 3360 Osterode De GmbH
Priority date: 1985-06-12
Filing date: 1985-06-12
Publication date: 1987-09-17
Also published as: DE3520945A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Trägerelement zur Aufnahme elektrischer und/oder elektronischer Bauteile und/oder Schaltungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a carrier element for receiving electrical and / or electronic components and / or Circuits according to the preamble of claim 1.

Ein solches Trägerelement ist aus dem DE-GM 66 08 942 bekannt. Probleme bei der konstruktiven Gestaltung erge ben sich insoweit, als wärmeerzeugende elektrische und/ oder elektronische Bauteile und Schaltungen, insbesondere Halbleiter und beziehungsweise in Form hybride(r) Schal tungen so angeordnet werden müssen, daß die erzeugte Wärme abgeführt werden kann, um Zerstörungen der Bauelemente durch thermische Beanspruchungen zu vermeiden. Dabei muß die erforderliche Wärmesenke aber elektrisch isoliert angebracht werden, um Fehlströme und Kurzschlüsse zu ver meiden. Das bekannte Trägerelement kann diese Bedingungen nur teilweise und insbesondere bei der Führung hoher Ströme entlang den Leiterbahnen nicht erfüllen, da diese auf einer sehr dünnen Emailschicht von etwa 50 µm mittels Dickfilmtechnik, also einem Aufdruckverfahren, aufgebracht sind. Dieses Herstellungsverfahren ist zudem mehrstufig und damit aufwendig.Such a carrier element is from DE-GM 66 08 942 known. Problems with the constructive design arise to the extent that heat-generating electrical and / or electronic components and circuits, in particular Semiconductors and / or in the form of a hybrid scarf lines must be arranged so that the heat generated can be dissipated to destroy the components to avoid by thermal stress. It must the required heat sink is electrically insulated be attached to ver fault currents and short circuits avoid. The known carrier element can meet these conditions only partially and especially when carrying high currents do not meet along the conductor tracks as these on a very thin layer of enamel of around 50 µm Thick film technology, i.e. a printing process, applied are. This manufacturing process is also multi-stage and therefore expensive.

Ein unter der Bezeichnung GE-Verfahren bekannter Lösungs vorschlag sieht vor, ein keramisches Substrat, vorzugs weise auf der Basis von Aluminiumoxid, beidseitig mit Kupfer zu beschichten, wodurch eine 3-Schicht-Platte gebildet wird. Die Direktbindung der Kupferbeschichtung auf das keramische Substrat geschieht dabei wie folgt:
Der Schmelzpunkt von reinem Kupfer liegt bei 1083°C. Infolgedessen kann ein Kupferfilm auf ca. 1065°C aufge heizt werden, wobei sich in Gegenwart von Sauerstoff oberflächlich eine eutektische Schmelzhaut bildet. Diese Schmelzhaut auf der ansonsten festen Kupferfolie benetzt dann die Oberfläche des keramischen Grundkörpers und bildet, nach Abkühlung, einen Cu₂O-Cu-Komplex, über den der keramische Grundkörper und die Kupferfolie direkt miteinander verbunden sind.A proposed solution known under the name GE method provides for coating a ceramic substrate, preferably on the basis of aluminum oxide, on both sides with copper, as a result of which a 3-layer plate is formed. The direct bonding of the copper coating to the ceramic substrate is done as follows:
The melting point of pure copper is 1083 ° C. As a result, a copper film can be heated to approx. 1065 ° C, whereby a eutectic melt skin forms on the surface in the presence of oxygen. This melt skin on the otherwise solid copper foil then wets the surface of the ceramic base body and, after cooling, forms a Cu ₂ O-Cu complex, via which the ceramic base body and the copper foil are connected directly to one another.

Anschließend werden durch Ätzen Bereiche der Kupferfolie entfernt, unter Ausbildung der gewünschten jeweiligen Leiterbahnen.Subsequently, areas of the copper foil are etched removed, forming the desired respective Conductor tracks.

Das Verfahren zur Herstellung derartiger Trägerelemente erfordert eine sehr aufwendige und komplizierte Verfahrens führung. Darüber hinaus ist die Schichtdicke der Kupfer folie auf maximal 0,3 mm begrenzt, so daß insbesondere für Anwendungsbereiche, in denen größere Ströme von beispielsweise 50 oder 100 Ampère fließen müssen, derartig hergestellte Trägerelemente nicht geeignet sind. Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnung besteht darin, daß die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Substrates und der Kupferauflage bei der Weiterverarbeitung zu Problemen durch thermische Spannungen zwischen den Materialien führen.The process for producing such support elements requires a very elaborate and complicated procedure guide. In addition, the layer thickness is the copper foil limited to a maximum of 0.3 mm, so that in particular for applications in which larger flows of for example, have to flow 50 or 100 amps, such manufactured support elements are not suitable. A Another disadvantage of the known arrangement is that the different coefficients of thermal expansion of the ceramic substrate and the copper layer further processing to problems caused by thermal Lead tensions between the materials.

Die Erfindung hat sich insoweit zum Ziel gesetzt, ein Trägerelement der eingangs genannten Art sowie ein Ver fahren zu seiner Herstellung zur Verfügung zu stellen, mit dem wärmeerzeugende elektrische und/oder elektronische Bauelemente und/oder Schaltungen in unmittelbarer Nähe einer Wärmesenke elektrisch isolierend, aber mit einem guten thermischen Kontakt zur Wärmesenke angeordnet werden können. Dabei soll der konstruktive und material mäßige Aufbau des Trägerelementes so sein, daß auch größere Ströme geführt werden können.In this respect, the invention has set itself the goal of a Carrier element of the type mentioned and a Ver drive to provide for its manufacture with the heat-generating electrical and / or electronic Components and / or circuits in the immediate vicinity a heat sink electrically insulating, but with one good thermal contact to the heat sink can be. The constructive and material moderate structure of the support element so that also larger currents can be carried.

Die Erfindung steht unter der Erkenntnis, daß bekannte Trennschichten zwischen den stromführenden Leiterbahnen und einer dazu im Abstand angeordneten Wärmesenke entweder keine ausreichenden elektrischen Isoliereigenschaften beziehungsweise keine ausreichende thermische Leitfähig keit aufweisen, oder aber aufgrund ihrer Verbindung mit den Leiterbahnen beziehungsweise der Wärmesenke deren konstruktive Gestaltung nur in bestimmten Grenzen ermöglichen.The invention is based on the knowledge that known Separating layers between the current conducting tracks and a heat sink at a distance from it either insufficient electrical insulation properties or insufficient thermal conductivity have speed, or because of their connection with the conductor tracks or the heat sink their constructive design only within certain limits enable.

Die Erfindung schlägt nunmehr ein Trägerelement zur Aufnahme elektrischer und/oder elektronischer Bauteile und/oder Schaltungen mit einer Wärmesenke und mindestens einer zugeordneten Leiterbahn vor, mit einer zwischen Wärmesenke und Leiterbahn angeordneten, elektrisch iso lierenden und thermisch leitenden Emailschicht, wobei die Leiterbahn als fertiges Bauteil mittels der Email schicht unmittelbar an der Wärmesenke unter Ausbildung eines Verbundkörpers festgelegt ist. The invention now proposes a carrier element Inclusion of electrical and / or electronic components and / or circuits with a heat sink and at least an assigned conductor track before, with an between Heat sink and conductor track arranged, electrically iso lating and thermally conductive enamel layer, whereby the conductor track as a finished component by means of the enamel layer directly on the heat sink under training a composite body is defined.

In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, die Leiterbahn nicht unmittelbar als fertiges Bauteil mit der Emailschicht zu verbinden, sondern die Leiter bahn aus einer zuvor mit der Wärmesenke über die Email schicht verbundene Leiterplatte durch einen nachfolgen den Trennvorgang auszubilden, was nachstehend noch näher beschrieben wird.In an alternative embodiment, the conductor track is not immediately as a finished component to connect with the enamel layer, but the ladder web from a previously with the heat sink over the enamel layer connected circuit board by a follow up form the separation process, which is explained in more detail below is described.

Aus der DE-AS 17 66 528 ist es bekannt, einen Grundkör per über eine Zwischenschicht mit einem fertigem Bauteil, nämlich einem Halbleiterplättchen zu verbinden. Dabei besteht die Zwischenschicht jedoch aus einem elektrisch leitenden Cermet-Material und das Halbleiterplättchen wird unter Zwischenschaltung eines Metallfilms, der auf dem Email liegt, auf den Metallfilm aufgelötet. Damit kann das bekannte Trägerelement die geforderte elektrische Isolierung nicht leisten und ist überdies kompliziert in seiner Herstellung.From DE-AS 17 66 528 it is known a basic body via an intermediate layer with a finished component, namely to connect a semiconductor die. Here however, the intermediate layer consists of an electrical conductive cermet material and the semiconductor die with the interposition of a metal film, the on the enamel, soldered to the metal film. The known carrier element can thus meet the required requirements electrical insulation can not afford and moreover is complicated to manufacture.

Es hat sich überraschend herausgestellt, daß es eine Vielzahl anorganischer, vorzugsweise oxidischer Gläser gibt, die die genannten Eingenschaften erfüllen und ins besondere leicht zu verarbeiten sind. An erster Stelle sind hier die verschiedenen Emailqualitäten zu nennen.It has surprisingly turned out to be a Many inorganic, preferably oxidic glasses are there that meet the stated properties and ins are particularly easy to work with. First of all here are the different email qualities.

Die Aufbringung eines Emails auf einem metallischen Träger ist seit langem bekannt, Hauptanwendungsgebiete für Emaillierungen sind jedoch Haushaltsgeräte aus Stahl blech, sanitäre Einrichtungen aus Gußeisen, Getränkebe hälter oder dergleichen sowie Kunst- und Kunstgewerbe gegenstände.The application of an enamel on a metallic Carrier has long been known, main areas of application for enamelling, however, household appliances are made of steel sheet metal, cast iron sanitary facilities, beverages containers or the like and arts and crafts objects.

Emails sind Spezialgläser von der Art der chemisch bestän digen aluminiumhaltigen Borosilikatgläser, deren Zusammen setzung und Eigenschaften dem jeweiligen Anwendungsgebiet angepaßt sind. Ihre Struktur leitet sich von einem drei dimensionalen Raumnetz aus SiO₄-Tetraedern ab, in dessen Hohlräumen sich Alkaliionen oder andere Kationen niedriger Wertigkeit befinden. Email ist zwar schon bei Raumtemperatur ein guter elektrischer Isolator, die elek trischen Isoliereigenschaften können aber noch ver bessert werden, wenn Emails geringen Alkaligehaltes be ziehungsweise alkalifreie Emails verwendet werden. Vorzugs weise wird derartigen Emails dann ein Gehalt von PbO, BaO, CaO, TiO₂ und/oder Al₂O₃ zugegeben, so daß schwächer gebundene Kationen durch stärker gebundene Kationen ersetzt werden, um die Ionenwanderung so gering wie möglich zu halten. Im übrigen kann die elektrische Leitfähigkeit ganz allgemein durch erhöhte Anteile an Netzwerkbildnern optimiert werden.Emails are special glasses of the type of chemically resistant aluminum-containing borosilicate glasses, the composition and properties of which are adapted to the respective field of application. Their structure is derived from a three-dimensional network of SiO ₄ tetrahedra, in the cavities of which there are alkali ions or other cations of low value. Enamel is a good electrical insulator even at room temperature, but the electrical insulation properties can be improved even further if enamels with a low alkali or alkali-free enamel are used. Such enamels are then preferably added with a content of PbO, BaO, CaO, TiO ₂ and / or Al ₂ O ₃ , so that weakly bound cations are replaced by more strongly bound cations in order to keep the ion migration as low as possible. Otherwise, the electrical conductivity can be optimized in general by increasing the proportion of network formers.

Die Verwendung von Emails niedrigen Alkaligehaltes hat darüber hinaus den Vorteil, daß der Schmelzpunkt derartiger Emails erniedrigt wird, wodurch ihr Einsatzbereich sich erweitert. Derartige Emails sind dann beispielsweise auch zur Emaillierung von Körpern aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen geeignet. Die Brenntemperatur sinkt dann auf bis zu 550°C, liegt also deutlich unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums, so daß sich auch verfahrenstechnisch Vorteile ergeben.The use of low alkali enamels has moreover the advantage that the melting point of such Emails is degraded, which increases their area of application expanded. Such emails are then, for example also for enamelling aluminum or aluminum bodies Suitable aluminum alloys. The firing temperature drops then up to 550 ° C, so it is clearly below the melting temperature of the aluminum, so that also procedural advantages.

Die relativ geringen Brenntemperaturen machen allerdings auch eine erhöhte Sauberkeit des Rohstoffes erforderlich, insbesondere in bezug auf organische Verunreinigungen, deren Ausbrenntemperaturen nur knapp unter der Brenntempe ratur liegen.The relatively low firing temperatures do, however also an increased cleanliness of the raw material required, especially with regard to organic contaminants, whose burn-out temperatures are just below the burning temperature ratur lie.

Das Verfahren zur Herstellung eines derartigen Trägerelementes ist in einer ersten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß ein Emailschlicker, insbesonders der vorstehend genann ten Art, auf die der Leiterbahn zugewandten Fläche der Wärmesenke und/oder die der Wärmesenke zugewandte Fläche der Leiterbahn aufgebracht, die Leiterbahn beziehungs weise die Wärmesenke auf den aufgebrachten Emailschlicker aufgesetzt und Wärmesenke und Leiterbahn mit dazwischen aufgebrachtem Emailschlicker getrocknet und anschließend in einem gemeinsamen Pyroprozeß bis zum Schmelzen und Verlaufen des Emailschlickers gebrannt und anschließend abgekühlt werden, unter Ausbildung eines festen Verbundes zwischen Wärmesenke, Emaillierung und Leiterbahn.The process of making a such a carrier element is characterized in a first embodiment, that an enamel slip, especially the one mentioned above th way on the surface of the Heat sink and / or the surface facing the heat sink the trace applied, the trace relation point the heat sink to the applied enamel slip put on and heat sink and interconnect with in between applied enamel slip dried and then in a common pyro process until melting and The enamel slip runs burned and then cooled be, with the formation of a firm bond between Heat sink, enamelling and trace.

Grundsätzlich kann also in konventioneller Weise emailliert werden, indem zunächst ein Emailschlicker auf eine me tallische Unterlage aufgebracht wird. Im Anschluß daran wird dann allerdings der korrespondierende Bauteil des Trägerelementes auf den noch flüssigen Emailschlicker aufgesetzt. Wird also zunächst eine Oberfläche der Wärme senke mit dem Emailschlicker überzogen, so werden die Leiterbahnen anschließend einzeln oder in fester Zuordnung zueinander auf den flüssigen Metallschlicker aufgelegt, und erst dann wird der Verbund aus Wärmesenke, Email schlicker und Leiterbahnen gebrannt, wobei sich die je weilige Brenntemperatur einerseits nach den verwendeten Metallen, insbesondere aber nach der Schmelztemperatur des aufgebrachten Emails richtet. Nach dem Schmelzen und Verlaufen des Emails sowie anschließendem Abkühlen steht dann ein fester Verbund von Wärmesenke, festem Email und Leiterbahnen zur Verfügung.Basically, it can be enamelled in a conventional way by placing an email slip on a me metallic pad is applied. After that the corresponding component of the Carrier element on the still liquid enamel slip put on. So first becomes a surface of heat sink with the enamel slip, so the Then conductors individually or in a fixed assignment placed on top of each other on the liquid metal slip, and only then does the composite of heat sink, enamel slick and burned conductor tracks, the each because the firing temperature depends on the one used Metals, but especially after the melting temperature of the email sent. After melting and flow of the enamel and then cooling then there is a firm bond of heat sink, firm Email and traces available.

Es wird deutlich, daß dieses Verfahren besonders leicht durchführbar ist und in praktisch einem Arbeitsgang das komplette Trägerelement hergestellt werden kann. Bezüglich der Dicke der Email-Zwischenschicht, aber auch der Dicke der Leiterbahnen sind die Grenzen sehr viel weiter gezogen, als im Stand der Technik. So kann ohne weiteres eine Emailschicht von bis zu 1 mm oder darüber aufgebracht werden; auch die Leiterbahnen können Dicken von deutlich über 0,3 mm, wie sie das Maximum für nach dem GE-Verfahren hergestellte Trägerelemente darstellt, aufweisen, z. B. 1 mm. It is clear that this method is particularly easy is feasible and in practically one operation complete support element can be manufactured. In terms of the thickness of the enamel intermediate layer, but also the thickness the boundaries of the traces are drawn much further, than in the prior art. So one can easily Enamel layer of up to 1 mm or above applied will; the conductor tracks can also have thicknesses of significant over 0.3 mm as it is the maximum for according to the GE method represents manufactured carrier elements, have, for. B. 1 mm.

Ebenso ist es möglich, anstelle fertiger Leiterbahnen auch zunächst eine vollflächige Leiterplatte aufzubringen und die Leiterbahnen erst nachträglich auszubilden, indem die zwischen ihnen befindlichen Aussparungen durch einen Trennvorgang wie Ätzen oder Laserschneiden am fertigen Werkstück gebildet werden (zweite Ausführungsform gemäß Anspruch 20).It is also possible, instead of finished conductor tracks also apply a full-surface circuit board first and only subsequently form the conductor tracks by the recesses between them by a separation process such as etching or Laser cutting on the finished workpiece are formed (second embodiment according to claim 20).

Aufgrund der hervorragenden thermischen Leitfähigkeit und elektrischen Isoliereigenschaften der genannten Mate rialien für die Zwischenschicht sieht eine Ausführungsform der Erfindung vor, die Wärmesenke und Leiterbahnen nur im Bereich der Leiterbahnflächen vollflächig miteinander zu verbinden.Because of the excellent thermal conductivity and electrical insulation properties of said mate rialien for the intermediate layer provides an embodiment the invention, the heat sink and conductor tracks only in the area of the interconnect surfaces with each other connect to.

Der Brennprozeß der Emaillierung kann so geführt werden, daß beispielsweise die oben auf dem Emailschlicker auf liegende Leiterbahnen teilweise in die Emailschicht eindringen, wodurch ein besonders fester Verbund und günstige Isoliereigenschaften gefördert werden.The enamelling process can be carried out that, for example, the top of the enamel slip horizontal conductor tracks partially in the enamel layer penetrate, creating a particularly strong bond and favorable insulation properties are promoted.

Als Materialien für die Wärmesenke und/oder die Leiter bahnen eignen sich insbesondere metallische Werkstoffe, wie Stahl, Aluminium, Kupfer, Gold, Silber oder deren Legierungen.As materials for the heat sink and / or the ladder webs are particularly suitable for metallic materials, such as steel, aluminum, copper, gold, silver or their Alloys.

Die Wärmesenke sowie die Leiterbahnen des erfindungsge mäßen Trägerelementes können aus dem gleichen metallischen Werkstoff bestehen, beispielsweise Kupfer.The heat sink and the conductor tracks of the fiction Moderate support element can be made of the same metallic Made of material, for example copper.

Ebenso ist es möglich, Wärmesenke und Leiterbahnen aus unterschiedlichen Werkstoffen herzu stellen, beispielsweise die Wärmesenke unmittelbar als Kühlkörper aus Aluminium zu gestalten, während die Leiter bahnen aus einer Kupferplatte ausgeformt sind. Weiterhin ist es möglich, die jeweils für die Wärmesenke und/oder Leiterbahnen verwendeten Metalle oberflächlich mit einem anderen Metall beziehungsweise einer anderen Metallegie rung zu beschichten.It is also possible to use heat sink and Conductor tracks made of different materials put, for example, the heat sink immediately as Aluminum heatsink while the ladder tracks are formed from a copper plate. Farther it is possible, each for the heat sink and / or Conductor tracks used metals superficially with a another metal or another metal alloy coating.

Die Auswahl der geeigneten metallischen Materialien rich ten sich dabei einmal nach den gewünschten physikalischen Parametern, andererseits wird die Auswahl der geeigneten Metalle aber auch in Abhängigkeit des jeweils verwendeten Emails erfolgen, insbesondere um die Wärmeausdehnungs koeffizienten der Materialien so aufeinander abzustimmen, daß am fertigen Trägerelement Spannungen der unterschied lichen Materialschichten vermieden werden. Die Einstellung kann dabei so erfolgen, daß das Email unter einer leichten Druckspannung gegenüber den Metallflächen steht, da es nur schlechte Zugfestigkeits-Eigenschaften aufweist.The selection of suitable metallic materials rich once looked for the desired physical Parameters, on the other hand, the selection of the appropriate Metals but also depending on the particular used Emails are made, especially about thermal expansion to match the coefficients of the materials to one another that the finished support element tensions the difference layers of material can be avoided. The setting can be done so that the enamel under a light Compression stress against the metal surfaces is there only has poor tensile properties.

Die Qualität und die physikalischen Eigenschaften des Emails können durch Zusätze unterschiedlichster Art, wie Fluoride, Sulfide usw. in diesem Sinne beeinflußt werden.The quality and physical properties of the Emails can be added by various types, such as fluorides, sulfides, etc. affected in this sense will.

Es ist jetzt auch möglich, komplizierte hybride Schaltungen auf einem derartigen Trägerelement anzuord nen, ohne die Funktionssicherheit zu gefährden. So kön nen beispielsweise Kombinationen von Transistoren, Dioden und anderen Halbleiterelementen ohne weiteres auf den Leiterbahnen des Trägerelementes auf kleinstem Raum angeordnet werden. Der Anschluß an weitere Bauelemente erfolgt dann über die nach außen über den Emaillierungsbereich vorstehenden Leiterfüße.It is now also possible to create complex hybrids Arrange circuits on such a support member without endangering functional safety. So can NEN combinations of transistors, diodes, for example and other semiconductor elements easily on the Conductor tracks of the carrier element can be arranged in the smallest space. The connection to Further components then take place on the outside Ladder feet protruding over the enamelling area.

Durch die aufgrund der beschriebenen Anordnung möglichen Leiterbahnen großer Dicke, können diese auch mit großen Strömen von über 100 Ampère beaufschlagt werden. Because of the possible arrangement Traces of great thickness, these can also be large Currents of over 100 amperes can be applied.

Besonders vorteilhaft ist es, um die von den einzelnen elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen und/oder Schaltungen abgegebene Wärme möglichst schnell und voll ständig abzuführen, die Leiterbahnen, auf denen die einzel nen Bauteile angeordnet sind, nicht nur relativ dick zu gestalten, sondern auch flächenmäßig größer als die Bauteile selbst auszuführen, wodurch wegen der größeren Durchtrittsfläche der Wärmewiderstand insgesamt sinkt, und eine Vergleichmäßigung der abzuführenden Wärme erreicht werden kann. Der sehr intensive Kontakt zwischen Leiterbahn und dem darunter liegenden Email ermöglicht ferner auch die schnelle und weitestgehend vollständige Durchleitung der Wärme zu der unter dem Email angeordneten Wärmesenke.It is particularly advantageous to the individual electrical and / or electronic components and / or Circulated heat as quickly and fully as possible constantly dissipate the traces on which the individual NEN components are arranged, not only relatively thick shape, but also larger in area than that Execute components yourself, which is because of the larger Total area of thermal resistance decreases, and achieves an equalization of the heat to be dissipated can be. The very intensive contact between the conductor track and the underlying email also allows the fast and largely complete transmission the heat to the heat sink located under the enamel.

Die Wärmesenke kann als einfache Metallplatte ausgebildet sein, die auf einem darunter angeordneten Kühlkörper aufgeklebt, gelötet oder sonstwie befestigt wird.The heat sink can be designed as a simple metal plate be on a heat sink located underneath glued, soldered or otherwise attached.

Als besonders vorteilhaft gilt jedoch die Ausführungsform, bei der die Wärmesenke, das heißt der mit dem Email unmit telbar verbundene Träger selbst Bestandteil des Kühl körpers und vorzugsweise mit diesem integral ausgebildet ist, weil dann nicht nur eine besonders günstige Wärme ableitung erreicht werden kann, sondern auch die zur Herstellung einer kompletten elektronischen Anlage not wendigen Bauteile weiter reduziert werden.However, the embodiment is considered to be particularly advantageous, where the heat sink, that is the one with the enamel Telbar connected carrier itself part of the cooling body and preferably integrally formed with this is because then not only a particularly favorable heat derivation can be achieved, but also that for Manufacture of a complete electronic system agile components can be further reduced.

Bezüglich der Auswahl der Materialien und deren konstruk tiver Gestaltung sind unterschiedliche Ausführungsformen möglich, die von den jeweiligen Anwendungs bedingungen und insbesondere von den jeweils aufzunehmenden elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen und/oder Schaltungen abhängig sind. Regarding the choice of materials and their construct design are different Embodiments possible, depending on the application conditions and in particular of those to be included electrical and / or electronic components and / or Circuits are dependent.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, sofern sie nicht vorstehend aufgeführt sind, ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention, provided that they are not described above listed, result from the characteristics of Subclaims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungs beispiele näher erläutert, dabei zeigtThe invention is based on two embodiments examples explained in more detail, shows

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Trägerelementes mit einem darauf angeordneten diskreten elektronischen Bauteil. Fig. 1 is a sectional view of a carrier element with a discrete electronic component arranged thereon.

Fig. 2a Eine Aufsicht auf ein Träger element mit darauf angeordneter hybrider Schaltung. Fig. 2a is a plan view of a carrier element with a hybrid circuit arranged thereon.

Fig. 2b Eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B gemäß Fig. 2a. Fig. 2B is a sectional view taken along line BB of FIG. 2a.

Fig. 1 zeigt ein Trägerelement, be stehend aus einer Wärmesenke 10, auf deren Oberfläche zumindest teilweise eine Emaillierung 12 aufgebracht ist, auf der wiederum eine Leiterbahn 14 angeordnet ist. Die Leiterbahn 14 selbst dient zur Aufnahme eines dis kreten elektronischen Bauelementes 16, hier eines Halb leiters. Fig. 1 shows a carrier element, be standing from a heat sink 10 , on the surface of which an enamelling 12 is at least partially applied, on which in turn a conductor track 14 is arranged. The conductor track 14 itself serves to receive a discrete electronic component 16 , here a semi-conductor.

Die Wärmesenke 10 ist in Form einer rechteckigen Platte mit einer planen Oberfläche 18 gestaltet und besteht aus Kupfer, ebenso kann aber auch jedes andere wärme leitende Material, insbesondere jedes andere gut wärme leitende Metall verwendet werden.The heat sink 10 is designed in the form of a rectangular plate with a flat surface 18 and is made of copper, but it is also possible to use any other heat-conducting material, in particular any other good heat-conducting metal.

Es ist auch möglich, die Wärmesenke 10 beispielsweise aus Aluminium herzustellen, das oberflächlich mit einer Kupferbeschichtung versehen ist. It is also possible to produce the heat sink 10 from aluminum, for example, which is provided on the surface with a copper coating.

Die Platte der Wärmesenke 10 weist in den Eckbereichen Durchgangsbohrungen 20 auf, über die weitere Bauteile, beispielsweise ein gerippter Kühlkörper aus Aluminium (nicht dargestellt) an der Wärmesenke 10 befestigt werden.The plate of the heat sink 10 has through bores 20 in the corner regions, via which further components, for example a ribbed heat sink made of aluminum (not shown), are fastened to the heat sink 10 .

Ein Teilbereich der Oberfläche 18 der Wärmesenke 10 ist mit der Emaillierung 12 versehen, hier einem alkalifreien Email.A portion of the surface 18 of the heat sink 10 is provided with the enamel 12 , here an alkali-free enamel.

Die Leiterbahn 14, die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 als flächige Platte ausgebildet ist, besteht aus Kupfer, jedoch kann anstelle von Kupfer auch jedes andere elektrisch leitende Material Verwendung finden.The conductor track 14 , which is designed as a flat plate in the exemplary embodiment according to FIG. 1, is made of copper, but any other electrically conductive material can also be used instead of copper.

Durch einen gemeinsamen Herstellungsvorgang sind Wärme senke 10, Emaillierung 12 und Leiterbahn 14 ortsfest miteinander verbunden.Through a common manufacturing process, heat sink 10 , enamel 12 and conductor 14 are connected to one another in a fixed manner.

Zur Herstellung wird die Wärmesenke 10 oberflächlich nach Vorbehandlung durch Entfetten, gegebenenfalls auch Beizen oder, insbesondere bei der Verwendung von Aluminium als Material für die Wärmesenke, durch Vorbehandlung in chromhaltigen Bädern mit einem viskosen Emailschlicker beschichtet, beispielsweise durch Besprühen. Die Begrenzung des zu beschichtenden Teils der Oberfläche 18 der Wärme senke 10 kann beispielsweise durch eine geeignete Matrize erfolgen. Auf den noch viskosen Emailschlicker wird dann die ebenso wie die Wärmesenke 10 vorbehandelte Leiter bahn 14 aufgelegt. Anschließend wird der Emailschlicker 12 auf bekannte Weise getrocknet und die Anordnung aus Wärme senke 10, Emailschlicker und Leiterbahn 14 in einen Ofen geführt, der bis auf eine Temperatur aufgeheizt und solange auf dieser Temperatur gehalten wird, bis die Emailbeschichtung schmilzt und einen geschlossenen Film, die Emaillierung 12, bildet. Wärmesenke 10 und Leiterbahn 14 sind dann fest mit der Emaillierung 12 und damit auch unmittelbar untereinander verbunden.For the production, the heat sink 10 is coated on the surface after pretreatment by degreasing, optionally also pickling or, in particular when aluminum is used as the material for the heat sink, by pretreatment in chrome-containing baths with a viscous enamel slip, for example by spraying. The limitation of the part to be coated of the surface 18 of the heat sink 10 can be done, for example, by a suitable die. On the still viscous enamel slip is then the same as the heat sink 10 pre-treated conductor 14 is placed. Subsequently, the enamel slip 12 is dried in a known manner and the arrangement of heat sink 10 , enamel slip and conductor track 14 is passed into an oven which is heated up to a temperature and is kept at this temperature until the enamel coating melts and a closed film which Enamel 12 , forms. Heat sink 10 and conductor track 14 are then firmly connected to the enamelling 12 and thus also directly to one another.

Die jeweils einzustellende Brenntemperatur und Dauer hängt von dem verwendeten Email und den eingesetzten Werkstoffen für die Wärmesenke 10 beziehungsweise die Leiterbahn 14 ab und kann zwischen ca. 550 und 1100°C betragen.The firing temperature and duration to be set in each case depend on the enamel used and the materials used for the heat sink 10 or the conductor track 14 and can be between approximately 550 and 1100 ° C.

Vorzugsweise werden Zusätze dem Emailschlicker zugegeben, die das elektrische Isoliervermögen fördern, wie PbO, BaO, CaO, Al₂O₃ und/oder TiO₂, die im übrigen auch eine Erniedrigung des Schmelzpunktes bedingen.Additives are preferably added to the enamel slip which promote electrical insulation, such as PbO, BaO, CaO, Al ₂ O ₃ and / or TiO ₂ , which also cause the melting point to be lowered.

Auf die Leiterbahn 14 wird dann in bekannter Weise das jeweilige elektronische Bauelement, hier ein Halbleiter, beispielsweise durch Kleben oder Löten aufgebracht.The respective electronic component, here a semiconductor, is then applied to the conductor track 14 in a known manner, for example by gluing or soldering.

In den Fig. 2a, 2b ist eine weitere Ausführungsform eines Trägerelementes dargestellt.A further embodiment of a carrier element is shown in FIGS . 2a, 2b.

Dieses besteht wiederum aus einer Wärmesenke 10 von im wesentlichen rechteckiger Grundfläche. Auf der Oberfläche 18 der Wärmesenke 10 ist auch hier eine Emaillierung 12 aufgebracht und zwar, wie sich insbesondere aus Fig. 2a ergibt, von im wesentlichen rechteckiger Grundfläche, so daß zwischen Emaillierung 12 und dem Randbereich 22 der Wärmesenke 10 ein nichtemaillierter Bereich 24 ver bleibt.This in turn consists of a heat sink 10 with an essentially rectangular base. On the surface 18 of the heat sink 10 enameling is also applied 12 and, as is apparent in particular from FIG. 2, of substantially rectangular base area, so that between enamel 12 and the edge portion 22 of the heat sink 10 a non-enamelled area 24 remains ver .

Auf der Emaillierung 12 sind eine Vielzahl von Leiterbah nen 14 angeordnet, die die Emaillierung 12 randseitig unter Ausbildung sogenannter Leiterbeine 27 überragen, wobei die Leiterbeine 27, wie sich aus Fig. 2b ergibt, nach oben abgewinkelt sind.On the enamel 12 , a plurality of tracks 14 are arranged, which protrude beyond the enamel 12 on the edge to form so-called conductor legs 27 , the conductor legs 27 , as can be seen from FIG. 2b, angled upwards.

Auf den Leiterbahnen 14 sind im Abstand zueinander ver schiedene Transistoren 26 unter Ausbildung einer hybriden Schaltung in bekannter Weise angeordnet.On the conductor tracks 14 , different transistors 26 are arranged at a distance from one another to form a hybrid circuit in a known manner.

Die Materialien für die Wärmesenke 10, die Emaillierung 12 beziehungsweise die Leiterbahnen 14 entsprechen denen gemäß Fig. 1.The materials for the heat sink 10 , the enamelling 12 and the conductor tracks 14 correspond to those according to FIG. 1.

Auch die Herstellung des Trägerelementes gemäß Fig. 2a, b entspricht weitestgehend der anhand der Fig. 1 beschriebenen, jedoch sind die einzelnen Leiterbahnen umlaufend zunächst noch über einen Stützring miteinander verbunden, so daß die insgesamt und in einem Arbeitsgang auf den flüssigen Emailschlicker aufgelegt werden können. Erst nach dem Brand wird dann der umlaufende Stützring (in den Figuren nicht dargestellt) abgetrennt.The preparation of the carrier element according to FIG. 2a, b largely corresponds to that described with reference to FIG. 1 except that the individual conductor tracks are circumferentially initially still connected together by a support ring, so that the can be placed as a whole and in one operation to the liquid enamel slip . Only after the fire is the circumferential support ring (not shown in the figures) cut off.

Über die nach oben abgewinkelten Leiterbeine 27 können die auf dem Trägerelement angeordneten Bauteile 26 mit weiteren Bauteilen der elektronischen Anlage verbunden werden (nicht dargestellt).The components 26 arranged on the carrier element can be connected to further components of the electronic system (not shown) via the upwardly angled conductor legs 27 .

Durch die Gestaltung des Trägerelementes und die Verwendung insbesondere eines Emails zur Abführung der von den verschiedenen Bauelementen 16, 26 abgegebenen Wärme und zur elektrischen Isolierung der Leiterbahnen 14 gegenüber der Wärmesenke 10 wird nicht nur eine optimale Anpassung der einzelnen Bauteile aneinander und ein ein faches Herstellungsverfahren ermöglicht, sondern auch die Verwendung besonders dicker Leiterbahnen, wodurch dickere Schichten für höhere Ströme zur Verfügung stehen, was den Anwendungsbereich des Träger elementes erheblich erweitert, ohne auf die übrigen Eigen schaften verzichten zu müssen.The design of the carrier element and the use, in particular, of an enamel for dissipating the heat emitted by the various components 16, 26 and for electrically isolating the conductor tracks 14 from the heat sink 10 not only enable optimum adaptation of the individual components to one another and a simple manufacturing process , but also the use of particularly thick conductor tracks, which means that thicker layers are available for higher currents, which extends the area of application of the carrier element considerably without having to forego the other properties.

Je nach Anwendungsbereich können dann auch die Materialien für die Wärmesenke 10, die Leiterbahnen 14 und die Emaillierung 12 so ausgewählt werden, daß eine möglichst optimale Abstimmung ihrer Wärmeausdehnungskoeffizienten erfolgt, was bei den nach dem Stand der Technik bekann ten Anordnungen nicht oder nur bedingt möglich ist.Depending on the field of application, the materials for the heat sink 10 , the conductor tracks 14 and the enamelling 12 can then be selected so that the best possible coordination of their thermal expansion coefficients takes place, which is not possible or only possible to a limited extent in the arrangements known from the prior art .

Unabhängig von den verwendeten Materialien wird eine Direktemaillierung der zu emaillierenden Bauteile ermöglicht.Regardless of the materials used direct enamelling of the items to be enamelled Components enabled.

Die beschriebene Anordnung ermöglicht es schließlich auch, daß die Wärmesenke 10 unmittelbar selbst als Kühl körper ausgebildet ist, das heißt die Emaillierung 12 unmittelbar auf der Oberfläche des Kühlkörpers aufge bracht wird. Der Kühlkörper kann ein konventioneller Kühlkörper, beispielsweise ein geripptes Bauteil aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und - soweit erforderlich - oberflächlich zusätzlich noch mit einer Metallplattierung, beispielsweise aus Kupfer, versehen sein.The arrangement described finally also makes it possible for the heat sink 10 itself to be designed directly as a cooling body, that is to say the enamelling 12 is brought up directly on the surface of the cooling body. The heat sink can be a conventional heat sink, for example a ribbed component made of aluminum or an aluminum alloy and - if necessary - additionally provided on the surface with a metal plating, for example made of copper.

Die Zahl der für die gesamte elektronische Anlage benö tigten Bauteile wird so weiter gemindert, darüber hinaus wird die Wärmeabfuhr von den Bauteilen 16, 26 über die Leiterbahnen 14 und die Emaillierung 12 auf den die Wärme senke 10 bildenden Kühlkörper weiter begünstigt. The number of components required for the entire electronic system is further reduced, moreover, the heat dissipation from the components 16, 26 via the conductor tracks 14 and the enamel 12 on the heat sink 10 forming the heat sink is further favored.

Beispielhaft wurden Halbleiter als auf dem Trägerelement anzuordnende elektrische Bauteile genannt. Soweit vorstehend von elektrischen und/ oder elektronischen Bauteilen und/oder Schaltungen gespro chen wird, umfaßt dieser Begriff sämtliche derartige Bauteile, also beispielsweise auch Widerstände, Dioden integrierte Halbleiter und komplette LSI-Schaltkreise.Examples were semiconductors as on the Carrier element to be arranged electrical components called. So far from electrical and / or electronic components and / or circuits spoken Chen, this term includes all such Components, for example also resistors, diodes integrated semiconductors and complete LSI circuits.

Claims

1. Carrier element for receiving electrical and / or elec tronic components and circuits ( 16, 26 ) with a heat sink ( 10 ) and at least one associated Lei terbahn ( 14 ) with an arranged between the heat sink ( 10 ) and conductor track ( 14 ), electrically insulating and thermally conductive enamel layer ( 12 ), characterized in that the conductor track ( 14 ) is fixed as a finished part by means of the enamel layer ( 12 ) directly to the heat sink ( 10 ) with the formation of a composite body.

2. Carrier element for receiving electrical and / or elec tronic components and circuits ( 16, 26 ) with a heat sink ( 10 ) and at least one associated Lei terbahn ( 14 ) with an electrically insulating between heat sink ( 10 ) and conductor track ( 14 ) and thermally conductive enamel layer ( 12 ), characterized in that the conductor track ( 14 ) by means of the enamel layer ( 12 ) is fixed directly to the heat sink ( 10 ) with the formation of a composite body, the conductor track ( 14 ) consisting of a previously with the heat sink ( 10 ) via the enamel layer ( 12 ) connected circuit board has been formed by a subsequent separation process.

3. Carrier element according to claim 1 or 2, characterized in that the heat sink ( 10 ) and the conductor track ( 14 ) in the area of the conductor track surface over the enamel layer ( 12 ) are interconnected.

4. Carrier element according to claim 1 or 2, characterized in that the heat sink ( 10 ) is provided area-wide with the elec trically insulating and thermally conductive enamel layer ( 12 ).

5. Carrier element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the surface of the enamel layer ( 12 ) is at a distance below the surface of the conductor track ( 14 ).

6. Carrier element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the surface of the enamel layer ( 12 ) is flush with the surface of the conductor track ( 14 ).

7. Carrier element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heat sink ( 10 ) and the conductor track ( 14 ) consists of a metallic material.

8. Carrier element according to claim 7, characterized in that the heat sink ( 10 ) and the conductor track ( 14 ) consist of the same metallic material.

9. Carrier element according to claim 7 or 8, characterized in that the heat sink ( 10 ) and the conductor track ( 14 ) consists of steel, aluminum, copper, gold, silver or other alloys.

10. Carrier element according to one of claims 1 to 9, characterized in that the heat sink ( 10 ) is connected to a heat sink.

11. Carrier element according to one of claims 1 to 9, characterized in that the heat sink ( 10 ) is designed as a heat sink.

12. Carrier element according to one of claims 1 to 11, characterized in that the conductor track ( 14 ) has a thickness sufficient to transmit large currents up to over 100 amperes.

13. Carrier element according to one of claims 1 to 12, characterized in that the conductor track ( 14 ) has a larger base area than the electrical and / or electronic components and / or circuits ( 16, 26 ) attached thereon.

14. Carrier element according to claim 13, characterized in that the enamel of the layer ( 12 ) is alkali-free enamel.

15. Carrier element according to claim 14, characterized in that the enamel has a content of AL ₂ O ₃ , B ₂ O ₃ , PbO, CaO, TiO ₂ and / or BaO.

16. Support element according to one of claims 1 to 15, characterized in that the material of the electrically insulating and thermally conductive enamel layer ( 12 ) has a coefficient of thermal expansion adapted to the thermal expansion coefficient of the material of the heat sink ( 10 ) and / or the conductor track ( 14 ).

17. Carrier element according to one of claims 1 to 16, characterized in that the electrically insulating and thermally conductive enamel layer ( 12 ) has a thickness of up to over 1.0 mm and the conductor track ( 14 ) has a thickness of more than 0.3 mm having.

18. A method for producing a carrier element according to one of claims 1 and 3 to 17, characterized in that

1. an email slip on
1.1 the surface of the heat sink ( 10 ) facing the conductor track ( 14 ) and / or
1.2 applied the surfaces of the conductor track ( 14 ) facing the heat sink ( 10 ),
2.1 the conductor track ( 14 ) or
2.2 the heat sink ( 10 ) placed on the enamel slip applied, and
3. Heat sink ( 10 ) and conductor track ( 14 ) with enamel slip applied in between and dried
4. then fired in a common pyro process until the enamel melts and runs and
5. are then cooled,
6. with the formation of a firm bond between the heat sink ( 10 ), enamelling ( 12 ) and conductor track ( 14 ).

19. The method according to claim 18, characterized in that the conductor track (14) is applied in the form of a provided with a supporting frame for the printed web (14) printed circuit board, wherein the existing between the conductor tracks (14) have recesses by a separation process such as etching, stamping or laser cutting have been previously formed.

20. A method for producing a carrier element according to one of claims 2 to 17, characterized in that

1. an enamel slip
1.1 on a circuit board facing surface of the heat sink ( 10 ) and / or
1.2 the surface of the circuit board facing the heat sink ( 10 ) is applied,
2.1 the circuit board or
2.2 the heat sink ( 10 ) on the applied enamel slip and
3. Heat sink ( 10 ) and printed circuit board with dried between the enamel slip applied and
4. burned in a common pyro process until the enamel melts and runs
5. are then cooled,
6. with the formation of a firm bond between heat sink ( 10 ), enamel ( 12 ) and printed circuit board, wherein
7. the circuit board is then treated by a cutting process such as etching or laser cutting in such a way that
8. only the desired conductor tracks ( 14 ) remain on the enamelling ( 12 ).

21. The method according to any one of claims 18 to 20, characterized, that the enamel slip by diving order or Syringes is applied.

22. The method according to claim 21, characterized, that the enamel slip by electrophoretic Dip application or spray application with electro Static charge on the spray mist is brought.