Rechtsprechung / BPatG / 2009
BPatG Beschluss vom 21.07.2009 – 23 W (pat) 15/06
23. Senat
BUNDESPATENTGERICHT
(Aktenzeichen)
Verkündet am
21. Juli 2009
…
B E S C H L U S S
In der Beschwerdesache
…
betreffend die Patentanmeldung 100 62 108.2-33
hat der 23. Senat (Technischer Beschwerdesenat) des Bundespatentgerichts auf
die mündliche Verhandlung vom 21. Juli 2009 unter Mitwirkung des Vorsitzenden
Richters Dr. Tau
chert, des Richters Lokys, der Richterin Dr. Hock sowie des
Richters Brandt 08.05
beschlossen:
Der Beschluss der Prüfungsstelle für Klasse H01L des Deutschen
Patent- und Markenamts vom 29. September 2005 wird aufgehoben und das Patent wird mit folgenden Unterlagen erteilt:
Patentansprüche 1 bis 8, eingereicht in der mündlichen Verhandlung vom 21. Juli 2009,
ursprüngliche Beschreibung Seiten 1 und 3 bis 7,
Beschreibung Seite 2, überreicht in der mündlichen Verhandlung
vom 21. Juli 2009,
ursprüngliche Zeichnung Figuren 1 und 2.
Bezeichnung der Erfindung: Leistungsmodul mit verbessertem
transientem Wärmewiderstand
G r ü n d e
I.
Die Prüfungsstelle für Klasse H01L des Deutschen Patent- und Markenamts hat
die am 13. Dezember 2000 mit der Bezeichnung „Leistungsmodul mit verbessertem transientem Wärmewiderstand“ angemeldete Patentanmeldung mit Beschluss
vom 29. September 2005 zurückgewiesen. Im vorangegangenen Prüfungsverfahren hat sie unter Hinweis auf die Druckschriften
D1 US 5 654 586
D2 US 5 786 230
D3 DE 34 14 065 A1
D4 EP 0 242 626 B1
D5 US 5 966 291 und
D6 WO 99/19 906 A2
dargelegt, das Leistungsmodul nach dem damals geltenden Anspruch 1 beruhe
nicht auf einer erfinderischen Tätigkeit des zuständigen Fachmanns.
Die Anmelderin hat gegen den am 20. Oktober 2005 abgesandten Zurückweisungsbeschluss mit Schriftsatz vom 21. November 2005, eingegangen am selben
Tag, Beschwerde eingelegt.
Mit der Terminsladung zur mündlichen Verhandlung hat der Senat der Anmelderin
ergänzend zu dem von der Prüfungsstelle ermittelten Stand der Technik noch die
Druckschrift
D7 EP 0 491 389 A1
übermittelt.
In der mündlichen Verhandlung stellt die Anmelderin den Antrag,
den Beschluss der Prüfungsstelle für Klasse H01L des Deutschen
Patent- und Markenamts vom 29. September 2005 aufzuheben
und das Patent mit folgenden Unterlagen zu erteilen (Hauptantrag):
Patentansprüche 1 bis 8, eingereicht in der mündlichen Verhandlung vom 21. Juli 2009;
ursprüngliche Beschreibung Seiten 1 und 3 bis 7;
Beschreibung Seite 2, überreicht in der mündlichen Verhandlung
vom 21. Juli 2009;
ursprüngliche Zeichnung Figuren 1 und 2.
Hilfsweise stellt sie den Antrag,
das Patent mit folgenden Unterlagen zu erteilen (Hilfsantrag):
Patentansprüche 1 bis 6, eingereicht in der mündlichen Verhandlung
vom 21. Juli 2009;
ursprüngliche Beschreibung Seiten 1 und 3 bis 7;
Beschreibung Seite 2, überreicht in der mündlichen Verhandlung vom
21. Juli 2009;
ursprüngliche Zeichnung Figuren 1 und 2.
Der Patentanspruch 1 nach Hauptantrag lautet bei Korrektur der Angabe „mit einen Kühlkörper verbunden ist“ im Merkmal c) in „mit einem Kühlkörper verbunden
ist“:
„Elektronisches Leistungsmodul mit einem elektronischen Leistungsbauelement (1), einem DCB-Keramiksubstrat (3, 4, 5), einem
Kühlkörper (6) und mindestens einer zusätzlichen Wärmekapazität (9, 9a, 9b, 12), wobei
a) das elektronische Leistungsbauelement (1) über eine Sinterschicht (2) an seiner Unterseite mit der oberen Kupferschicht (3)
des DCB-Keramiksubstrates verbunden ist,
b) die obere Kupferschicht (3) des DCB-Keramiksubstrates zur
elektrischen Kontaktierung des Leistungsbauelements (1) in Kupferleiterbahnen strukturiert ist,
c) die untere Kupferschicht (5) des DCB-Keramiksubstrates über
eine Sinterschicht (7) mit einem Kühlkörper verbunden ist,
d) die Oberseite des Leistungsbauelements (1) über eine Sinterschicht (10) mit mindestens einer zusätzlichen Wärmekapazität (9,
9a, 9b, 12) aus Molybdän verbunden ist, wobei die mindestens
eine zusätzliche Wärmekapazität (9, 9a, 9b, 12) eine Dicke von
jeweils 2 mm bis 3 mm aufweist.“
Der Patentanspruch 1 nach Hilfsantrag lautet bei gleicher Korrektur des Merkmals c) wie beim Anspruch 1 nach Hauptantrag:
„Elektronisches Leistungsmodul mit einem elektronischen Leistungsbauelement (1), einem DCB-Keramiksubstrat (3, 4, 5), einem
Kühlkörper (6) und mindestens einer zusätzlichen Wärmekapazität (9, 9a, 9b, 12), wobei
a) das elektronische Leistungsbauelement (1) über eine Sinterschicht (2) an seiner Unterseite mit der oberen Kupferschicht (3)
des DCB-Keramiksubstrates verbunden ist,
b) die obere Kupferschicht (3) des DCB-Keramiksubstrates zur
elektrischen Kontaktierung des Leistungsbauelements (1) in Kupferleiterbahnen strukturiert ist,
c) die untere Kupferschicht (5) des DCB-Keramiksubstrates über
eine Sinterschicht (7) mit einem Kühlkörper verbunden ist,
d) die Oberseite des Leistungsbauelements (1) über eine Sinterschicht (10) mit mindestens einer zusätzlichen Wärmekapazität (9,
9a, 9b, 12) verbunden ist,
das Leistungsbauelement (1) über die zusätzliche Wärmekapazität (9, 9a, 9b, 12) an seiner Oberseite kontaktiert wird, und
die Kontaktierung des Leistungsbauelements (1) mittels der unteren Kupferschicht (13) der zusätzlichen Wärmekapazität erfolgt,
die als DCB-Keramik ausgebildet ist.“
Hinsichtlich der Unteransprüche 2 bis 8 nach Hauptantrag, der Unteransprüche 2
bis 6 nach Hilfsantrag und hinsichtlich der weiteren Einzelheiten wird auf den Akteninhalt verwiesen.
II.
Die zulässige Beschwerde ist begründet; sie führt zur Aufhebung des Beschlusses
und zur Erteilung des Patents gemäß dem in der mündlichen Verhandlung gestellten Hauptantrag, denn das elektronische Leistungsmodul nach dem geltenden
Anspruch 1 nach Hauptantrag erweist sich nach dem Ergebnis der mündlichen
Verhandlung als patentfähig.
1. Die Anmeldung betrifft ein elektronisches Leistungsmodul mit verbessertem
transientem Wärmewiderstand.
Bei elektronischen Leistungsmodulen muss die durch die Verlustleistung im elektronischen Leistungsbauelement erzeugte Wärme abgeführt werden. Gemäß den
Darlegungen der Anmelderin in den geltenden Beschreibungsunterlagen, S. 1, 2.
und 3. Absatz, sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Maßnahmen bekannt, um den Wärmewiderstand zwischen dem elektronischen Leistungsbauelement und der Kontaktschicht eines Trägerelements, auf dem das Bauelement angeordnet ist, zu verringern und hierdurch eine hohe Wärmeabfuhr zu gewährleisten.
Die EP 0 242 626 B1 offenbart ein Leistungsmodul, bei dem die Leistungsbauelemente auf ihrer Unterseite mit einer Paste versehen werden, die aus einem in einem Lösungsmittel gelösten Metallpulver (vorzugsweise Silberpulver) besteht, und
bei dem die so vorbehandelten Leistungsbauelemente mit Hilfe eines Drucksinterverfahrens mit einer flächig ausgebildeten Kontaktschicht verbunden werden.
Durch die flächig ausgebildeten Kontakte und die Verwendung des hochwärmeleitfähigen Silbers wird der Wärmeübergang zwischen Bauelement und Kontaktierungsschicht verbessert.
Bei dem Leistungsmodul nach der DE 197 00 963 A1 werden die Leistungsbauelemente auf die Oberseite einer beidseitig mit einer Kupferschicht versehenen
DCB (direct copper bonding) - Keramik aufgelötet, auf deren Unterseite eine als
Schaltungsträger wirkende Metallplatte aufgelötet wird. Diese Metallplatte gibt die
Verlustwärme an ein an sie angeschlossenes Kühlsystem ab. Die obere Kupferschicht der DCB-Keramik wird strukturiert, so dass die Unterseite des auf diese
Seite aufgelöteten Leistungsbauelements durch die derart hergestellten Leiterbahnen kontaktiert werden kann.
Um die Vorzüge beider Prozesse miteinander zu vereinen, müsste man sowohl
einen Drucksintervorgang als auch einen Lötvorgang durchführen und in einem
weiteren Schritt noch die metallische Grundplatte mit einer Wärmeleitpaste an das
Kühlsystem anschließen. Der Einsatz mehrerer verschiedener Prozesstechnologien macht einen solchen Herstellungsprozess aufwendig und teuer.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Anmeldung als technisches
Problem die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsmodul mit einem verbesserten thermischen Verhalten anzugeben, das gegenüber thermischen Lastwechseln weitgehend unempfindlich ist, vgl. die in der mündlichen Verhandlung eingereichte S. 2,
2. Absatz.
Gemäß dem geltenden Anspruch 1 nach Hauptantrag wird diese Aufgabe durch
ein elektronisches Leistungsmodul gelöst, bei dem
- das elektronische Leistungsbauelement über eine Sinterschicht an seiner
Unterseite mit der oberen Kupferschicht eines DCB-Keramiksubstrats verbunden ist, die zur elektrischen Kontaktierung des Leistungsbauelements in Kupferleiterbahnen strukturiert ist,
- die untere Kupferschicht des DCB-Substrats über eine Sinterschicht mit einem
Kühlkörper verbunden ist,
- die Oberseite des Leistungsbauelements über eine Sinterschicht mit mindestens einer zusätzlichen Wärmekapazität aus Molybdän verbunden ist, die eine
Dicke von 2 mm bis 3 mm aufweist.
Die Verbindung aller übereinander angeordneter Ebenen des Leistungsmoduls
durch Sinterschichten verringert den thermischen Widerstand der Anordnung
senkrecht zu diesen Ebenen, so dass die im Leistungsbauelement entwickelte
Wärme mit hoher Effizienz zur Ober- und zur Unterseite des Moduls abgeführt
wird. Mit Hilfe der auf der Oberseite des Leistungsbauelements angeordneten
Wärmekapazität aus Molybdän mit einer Dicke von 2 mm bis 3 mm können dabei
durch transiente Lastwechsel verursachte kurzzeitige Temperaturbelastungen des
Bauelements auf der Oberseite des Bauelements abgebaut werden.
Da dem Hauptantrag der Anmelderin entsprochen wurde und der Hilfsantrag nicht
zum Tragen kam, erübrigen sich Darlegungen zur Lösung gemäß Anspruch 1
nach Hilfsantrag.
2. Die Patentansprüche 1 bis 8 nach Hauptantrag sind zulässig.
Der Patentanspruch 1 geht auf die ursprünglichen Patentansprüche 1 und 3 zurück und enthält darüber hinaus die auf S. 7, Zeilen 3 bis 5 der ursprünglichen Beschreibung offenbarte Angabe zur Dicke der Molybdän-Wärmekapazität. Mit der
Umformulierung der Angabe „bestehend aus mindestens einem elektronischen
Leistungsbauelement“ im ursprünglichen Anspruch 1 in die Angabe „mit einem
elektronischen Leistungsbauelement“ im geltenden Anspruch 1 wurden Widersprüchlichkeiten im bisherigen Anspruchswortlaut beseitigt.
Die Unteransprüche 2 bis 8 nach Hauptantrag entsprechen inhaltlich und vom
Rückbezug her den ursprünglichen Unteransprüchen 2, 7 bis 9 und 11 bis 13.
3. Das elektronische Leistungsmodul nach dem geltenden Anspruch 1 ist
patentfähig, denn die im Anspruch 1 nach Hauptantrag gegebene Lehre ist im
Hinblick auf den nachgewiesenen Stand der Technik neu und beruht auf erfinderischer Tätigkeit des Fachmanns. Dieser ist hier als berufserfahrener Fachhochschul-Ingenieur der Elektrotechnik oder der Mikrosystemtechnik zu definieren, der
mit der Entwicklung von Leistungshalbleitermodulen betraut ist.
Die Druckschrift D1 offenbart ein Leistungsmodul (power semiconductor component), das in Übereinstimmung mit der Lehre des geltenden Anspruchs 1 ein elektronisches Leistungsbauelement (semiconductor chip CHIP), ein DCB-Keramiksubstrat (ceramic substrate SUB, so-called DCB substrates) und einen Kühlkörper
(baseplate BP of copper) aufweist. Dabei ist das elektronische Leistungsbauelement in Übereinstimmung der Lehre der Merkmale a) und b) des geltenden Anspruchs 1 nach Hauptantrag über eine Sinterschicht (connecting layer 1) an seiner
Unterseite mit der oberen Kupferschicht des DCB-Substrats verbunden, die zur
elektrischen Kontaktierung des Leistungsbauelements in Kupferleiterbahnen (conductor tracks LB) strukturiert ist. Ferner ist die untere Kupferschicht (buffer layer
DP) des DCB-Keramiksubstrats über eine Sinterschicht (connecting layer 3) mit
dem Kühlköper (baseplate BP) verbunden, wie es im Merkmal c) des Anspruchs 1
angegeben wird (The power semiconductor component according to the invention
comprises, in order, a semiconductor chip CHIP, a connecting layer 1, conductor
tracks LB, a ceramic substrate SUB, a connecting layer 2, a buffer layer […], a
further connecting layer 3 and a metallic baseplate. […] The conductor tracks LB,
which consist […] of copper, are typically applied to the ceramic substrate SUB,
[…] so-called DCB substrates (direct copper bonding substrates) […] The baseplate BP consists […] of copper. The connecting layers 2 and 3 and […] the
connecting layer 1, too, consist of sintered silver powder. […] For example, copper
[…] can also be used as the material for the buffer layer / Sp. 1, Zeile 66 bis Sp. 2,
Zeile 24 i. V. m. der einzigen Figur).
Aus der Druckschrift D1 ist es jedoch nicht bekannt, die Oberseite des Leistungsbauelements über eine Sinterschicht mit mindestens einer zusätzlichen Wärmekapazität aus Molybdän zu verbinden, die eine Dicke von jeweils 2 mm bis 3 mm
aufweist, wie es das Merkmal d) des geltenden Anspruchs 1 nach Hauptantrag
lehrt. Das Leistungsmodul nach dem geltenden Anspruch 1 ist damit gegenüber
dem Stand der Technik gemäß der Druckschrift D1 neu.
In gleicher Weise gilt dies auch gegenüber dem Stand der Technik gemäß den übrigen Druckschriften D2 bis D7. Darüber hinaus geben diese Druckschriften dem
Fachmann auch keine Anregung zu der im Merkmal d) gegebenen Lehre.
Die Druckschrift D7 offenbart ein elektronisches Leistungsmodul, bei dem ein
scheibenförmiges Leistungsbauelement (scheibenförmiger Halbleiterkörper bzw.
Leistungshalbleiterbauelement 1) zwischen zwei Substratscheiben aus Molybdän
(Substratscheiben 4, 5) angeordnet
ist, die durch eine Sinterverbindung
(Drucksintern von Silberpulver) mit der jeweils angrenzenden Fläche des scheibenförmigen Bauelements verbunden sind (In Figur 1 ist eine großflächige Halbleiterdiode mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper 1 […] dargestellt. […] Der
Halbleiterkörper 1 ist an seiner kathodenseitigen Hauptfläche 3 mit einer Substratscheibe 4 verbunden, die beispielsweise aus Molybdän besteht. Weiterhin ist eine
vorzugsweise ebenfalls aus Molybdän bestehende Substratscheibe 5 an seiner
anodenseitigen Hauptfläche 6 angefügt. Die Verbindung der Teile 1, 4 und 5 erfolgt vorzugsweise nach einem an sich bekannten, als Drucksintern bezeichneten
Verfahren der Niedertemperaturverbindungstechnik / Sp. 2, Zeilen 1 bis 18).
Die Kühlung des derart aufgebauten Leistungsmoduls erfolgt mittels eines Kühlkörpers, der ebenfalls über eine Sinterverbindung mit der unteren Substratsscheibe verbunden ist, vgl. Sp. 5, Zeilen 39 bis 49 i. V. m. Fig. 5. Alternativ hierzu
kann das Modul auch in eine siedegekühlte Anlage eingesetzt werden. Hierzu wird
das Modul in einem mit einem Kühlmittel gefüllten Behälter angeordnet, so dass
es ringsum vom Kühlmittel umgeben ist. Die vom Leistungsbauelement abgegebene Wärme führt dazu, dass das Kühlmittel verdampft und damit die Wärme vom
Modul abführt, vgl. Sp. 4, Zeile 51 bis Sp. 5, Zeile 34 i. V. m. Fig. 4.
Das in der Druckschrift D7 offenbarte Leistungsmodul zeichnet sich insbesondere
durch eine wesentliche Verbesserung der thermischen und der elektrischen Eigenschaften aus. Wie hierzu in der Druckschrift D7 ausgeführt wird, führen die
materialschlüssigen Sinterverbindungen zwischen den vom Laststrom durchflossenen Verbindungsflächen der Bauteile des Leistungsmoduls zu einer wesentlichen Verringerung des thermischen und des elektrischen Widerstands, wobei
durch die Wahl von Molybdän als Material für die Substratscheiben gewährleistet
ist, dass bei Temperaturänderungen keine mechanischen Spannungen zwischen
der Halbleiterscheibe und den Substratscheiben auftreten, vgl. insbesondere
Sp. 6, Zeilen 52 bis 57 i. V. m. Sp. 1, Zeilen 4 bis 27 sowie Sp. 4, Zeilen 13 bis 25.
Der Fachmann entnimmt der Druckschrift D7 jedoch keinen Hinweis darauf, dass
es im Hinblick auf die thermischen Eigenschaften des Leistungsmoduls über die
oben genannte Lehre hinausgehend auf die Wärmekapazität auf der Oberseite
des Leistungsbauelements ankommt. Die Wärmekapazität der beiden Molybdänscheiben wird dort überhaupt nicht angesprochen, vielmehr wird - wie oben dargelegt - lediglich angegeben, dass die beiden Substratscheiben aus Molybdän als
Kontaktelemente dienen, die das Entstehen mechanischer Spannungen verhindern. Darüber hinaus besteht bei der in der Druckschrift D7 offenbarten symmetrischen Anordnung der Molybdänscheiben über und unter der Halbeiterscheibe
auch überhaupt kein Anlass, Überlegungen über die Wärmekapazität speziell der
oberen dieser Molybdänscheiben anzustellen.
Damit kann diese Druckschrift dem Fachmann keine Anregung dazu vermitteln,
bei dem Leistungsmodul nach der Druckschrift D1 auf der Oberseite des auf dem
DCB-Substrat angeordneten Leistungsbauelements eine zusätzliche Wärmekapazität anzuordnen und diese durch die Wahl der im Merkmal d) des geltenden Anspruchs 1 nach Hauptantrag angegebenen Dicke im Hinblick auf ihre wärmepuffernden Eigenschaften zu optimieren.
Auch eine Zusammenschau der Druckschriften D1 und D7 führt damit nicht zu
dem Leistungsmodul nach dem geltenden Anspruch 1 nach Hauptantrag.
Gleiches gilt auch für eine Zusammenschau mit der Druckschrift D2.
Bei dem elektronischen Leistungsmodul (power module / Sp. 4, Zeile 36) nach der
Druckschrift D2 wird die im Halbleiterbauelement (semiconductor chip 25) entstehende Wärme über einen auf der Oberseite des Bauelements aufgelöteten oder
angeschweißten wärmeleitfähigen Metalstreifen aus Kupfer oder Aluminium zunächst seitlich und dann in das Substrat des Moduls abgeleitet ([…] heat conductive elements 26 are connected from each associated heat sink area on Al
layer 12 […] to the upper surface of each semiconductor chip 25. In this embodiment, heat conductive elements 26 are metal straps, formed of copper, aluminum
or the like which is a good heat and a good electrical conductor. Heat conductive
elements 26 are connected to semiconductor chips 25 […] by any convenient
means, such as soldering, welding or the like. […] heat is readily passed from
each semiconductor chip 25 and conductive element 26 to Al layer 12 and then to
substrate 10 / Fig. 5 und Sp. 3, Zeile 62 bis Sp. 4, Zeile 9).
Abgesehen davon, dass diese Druckschrift keinerlei Anregung für eine Wärmekapazität aus Molybdän mit einer Dicke zwischen 2 mm und 3 mm gibt, kommt es
bei der Anordnung nach der Druckschrift D2 auf eine möglichst gute Wärmeableitung zur Seite und nicht auf das Zwischenpuffern von Wärme mit Hilfe einer Wärmekapazität auf der Oberseite des Leistungsbauelements an, so dass auch diese
Druckschrift keine Anregung zum Vorsehen einer Wärmekapazität gemäß der im
Merkmal d) des geltenden Anspruchs 1 angegebenen Ausbildung geben kann.
Die übrigen Druckschriften liegen weiter ab und wurden von der Prüfungsstelle lediglich im Hinblick auf die Unteransprüche genannt. Die Druckschriften D3 und D4
offenbaren dementsprechend Einzelheiten des Drucksinterverfahrens zum Verbinden eines elektronischen Bauelements mit einem Substrat, die Druckschrift D5
offenbart die Anordnung eines Leistungsbauelements auf einem DCB-Substrat
und die Druckschrift D6 offenbart einen Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid-
Material. Keine dieser Schriften kann das Vorsehen einer Wärmekapazität gemäß
der Lehre des Merkmals d) des geltenden Anspruchs 1 nach Hauptantrag nahelegen.
Das elektronische Leistungsmodul nach dem Anspruch 1 nach Hauptantrag ist
damit patentfähig.
3. An den Anspruch 1 können sich die Unteransprüche 2 bis 8 anschließen, die
vorteilhafte Weiterbildungen des Leistungsmoduls nach Anspruch 1 angeben.
4. Die Beschreibung erfüllt die an sie zu stellenden Anforderungen, weil darin der
Stand der Technik angegeben ist, von dem die Erfindung ausgeht und die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele hinreichend erläutert ist.
Auch die übrigen Unterlagen erfüllen die Voraussetzungen für eine Patenterteilung.
5. Bei dieser Sachlage war der Beschluss der Prüfungsstelle aufzuheben und
das Patent gemäß Hauptantrag zu erteilen. Der Hilfsantrag kam somit nicht zum
Tragen.
Dr. Tauchert
Lokys
Dr. Hock
Brandt
Pr