专利名称：铝-陶瓷组合构件的制作方法
技术领域：
本发明涉及铝-陶瓷组合构件，特别是涉及具有散热功能、可应用于电子零件或电源模块的铝-陶瓷组合构件。
背景技术：
迄今，已提出一种半导体器件，它包括绝缘陶瓷底板，在底板一表面上设有一金属电路层，在底板另一表面上固定的放热金属片，以及在金属电路层上焊接的用于控制电压和电流的半导体接点(tips)。将上面提到的一种或更多种半导体器件用焊接材料焊接在金属基片(散热片)的一个表面或者复合构件上，放热片或者散热片通过传热油脂安装在金属基片的另一个表面上。
然而，上述提到的传统半导体器件存在以下问题。
①焊接主要使用铅焊料，因此有必要研制出新的焊接材料或者焊接方法以实现一种无铅的焊接方法。
②焊接主要使用铅焊料，因此存在由于焊接材料中含有铅而导致的热传输的损失。
③焊接主要使用铅焊料，因此存在由于铅焊料的孔隙而减少产率的风险。
④传热油脂的热传导率非常低。也就是说，市售的传热油脂的热传导率至多只有几个W/m·K。
上面的问题①-③能通过使用绝缘陶瓷衬底与基板直接接合而得到解决。然而，问题④未能解决，因为市场上尚不能提供具有高传导率的材料。
日本特许公开No.363052/92公开了一种半导体器件，其中采用钎焊将放热片直接接合在陶瓷底板上。可是，如果将热膨胀系数大、体积大的铝散热片直接接合在热膨胀系数小的薄陶瓷底板上，当它们被交替地、经常地加热和冷却以及诸如进行实际的电源模块操作时引起的温度升高时，由于散热片和陶瓷底板之间具有不同的热膨胀系数，则陶瓷底板会与铝散热片分离，或者陶瓷底板会由于应力而遭到损坏。
本发明的任务是解决上述问题和缺点。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种铝-陶瓷组合构件，其特征是包括一个陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一个表面上、其上固定电子零件的导电元件，以及直接接合在陶瓷底板另一表面上的铝或铝合金散热元件。
本发明的直接接合中，铝或铝合金散热元件直接接合在陶瓷底板上而不需要任何中介材料，例如钎焊料。
优选地，散热元件的尺寸比陶瓷底板大。
优选地，散热元件具有包围陶瓷底板的壁(wall)。
优选地，散热元件具有接线基部。
本发明更进一步的目的是提供一种铝-陶瓷组合构件，其特征是包括一个陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一个表面上、其上固定电子零件的导电元件，以及直接接合在陶瓷底板的另一个表面上的铝或铝合金水冷却护套。
优选地，水冷却护套包括铜。
优选地，直接接合通过熔融焊接法实现。
优选地，陶瓷底板主要成分为氧化铝，氮化铝和氮化硅中的一种。
优选地，使用多个陶瓷底板。
本发明的又一个目的是提供一种电源模块，其特征在于包括一种铝-陶瓷组合构件，该构件由以下组成一个陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一个表面上、其上固定电子零件的导电元件，以及直接接合在陶瓷底板的另一表面上的铝或铝合金散热元件。
本发明的另一个目的是提供一种电源模块，其特征在于包括一种铝-陶瓷组合构件，该构件由以下组成一个陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一个表面上、其上固定电子零件的导电元件，以及直接接合在陶瓷底板的另一表面上的铝或铝合金水冷却护套。
本发明的这些以及其他方面和目的，可以参考以下说明书和附图而得到更好的评价和理解。但应当理解的是，以下的说明书以及所列出的实施例仅供说明，本发明绝非限于实施例所述的范围。在本发明的范围内，不脱离本发明的构思，可得到许多变换和改进，本发明包括所有这样的改进。
附图简述图1是根据本发明的第一实施例的铝-陶瓷组合构件的透视图。
图2是根据本发明的第二实施例的铝-陶瓷组合构件的透视图。
图3是根据本发明的第三实施例的铝-陶瓷组合构件的透视图。
图4是根据本发明的第四实施例的铝-陶瓷组合构件的透视图。
优选实施方案详述现在结合
本发明。
(实施例1)图1是根据本发明的第一实施的铝-陶瓷组合构件的透视图。
正如图1所示，准备两块陶瓷底板1，每一块由厚度为0.25mm、尺寸为40mm×40mm的氧化铝衬底组成。
两块陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后将该碳模具插入炉子中。炉中保持不高于100ppm的氮气和氧气。在炉中于750℃下加热纯度为4N的铝，以得到熔态铝。除去熔态铝表面的氧化膜，通过一个碳圆柱在炉中施加压力将熔态铝注入模具中。模具如此设计，以致于当熔态铝注入模具时，在每一块陶瓷底板1的一个表面上(电路层一侧的表面)能形成厚度为0.4mm、尺寸为39mm×39mm的铝片2，在两块陶瓷底板1的另一个表面上形成厚度为5mm、尺寸为110mm×60mm的铝基板3，在铝基板3上形成多个平行的铝散热片4，散热片4在纵向方向上彼此间隔5mm，从基板3上沿着与在基板3上接合的陶瓷底板1相反的方向伸展，每一个散热片4高为25mm、厚度为5mm。冷却模具以使熔态铝固化并与陶瓷底板1相接合。模具在室温下冷却，将这样得到的组合构件从模具中移出。通过在其上印刷具有预定形状的防蚀涂层并使用氯化铁溶液蚀刻，而在铝片2的一个表面上形成电路图案。在除去防蚀涂层后，采用非电解的镍电镀法在铝片2上形成厚度为3μm的镍层，使得可制得包括与具有基板3和散热片4的陶瓷底板1直接接合的铝片2的组合构件。
用超声波探伤器检测本发明的组合构件。在铝片2和陶瓷底板1边界面以及基板3和陶瓷底板1的边界面上，均未发现缺陷。此外，陶瓷底板1上未发现裂纹。进行热循环测试以评估已检测的组合构件。一种热循环是在-40℃下保温30分钟，25℃下保温10分钟，125℃下保温30分钟，25℃下再保温10分钟。在经历3000次热循环后，再次用超声波探伤器检测边界面，确认在陶瓷底板1上没有变化、没有裂纹。
(实施例2)
在与实施例1的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.635mm的氮化铝衬底作为陶瓷底板。得到与实施例1相同的效果。
(实施例3)在与实施例1的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.32mm的氮化硅衬底作为陶瓷底板。得到与实施例1相同的效果。
(实施例4)准备两块陶瓷底板1，每一块都由厚度为0.25mm、尺寸为40mm×40mm的氧化铝衬底组成。
两块陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后将该碳模具插入炉子中。炉中保持不高于100ppm的氮气和氧气。在炉中于750℃下加热纯度为4N的铝，以得到熔态铝。除去熔态铝表面的氧化膜，通过一个碳圆柱在炉中施加压力将熔态铝注入模具中。模具如此设计，以致于当熔态铝注入模具时，在每一块陶瓷底板1的一个表面上(电路层一侧的表面)能形成厚度为0.4mm、尺寸为39mm×39mm以及纯度为4N的铝片2，在两块陶瓷底板1的另一表面上形成厚度为5mm、尺寸为110mm×60mm、纯度为99.7％(JIS No.1070)的铝基板3，在铝基板3上形成多个平行的铝散热片4，散热片4在纵向方向上彼此间隔5mm，从基板3上沿着与在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一个散热片4高为25mm、厚度为5mm。冷却模具以使熔态铝固化并与陶瓷底板1相接合。模具在室温下冷却，将这样得到的组合构件从模具中移出。通过在其上印刷具有预定形状的防蚀涂层并使用氯化铁溶液蚀刻，而在铝片2的一个表面上形成电路图案。在除去防蚀涂层后，采用非电解的镍电镀法在铝片2上形成厚度为3μm的镍层，使得可制得包括与具有基板3和散热片4的陶瓷底板1直接接合的铝片2的组合构件。
用超声波探伤器检测本发明的组合构件。在铝片2和陶瓷底板1边界面以及基板3和陶瓷底板1的边界面上，均未发现缺陷。此外，陶瓷底板1上未发现有裂纹。进行热循环测试以评估已检测的组合构件。一种热循环是在-40℃下保温30分钟，25℃下保温10分钟，125℃下保温30分钟，25℃下再保温10分钟。在经历3000次热循环后，再次用超声波探伤器检测边界面，确认在陶瓷底板上1上没有变化、没有裂纹。
(实施例5)
在与实施例4的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.635mm的氮化铝衬底作为陶瓷底板。得到与实施例4相同的效果。
(实施例6)在与实施例4的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.32mm的氮化硅衬底作为陶瓷底板。得到与实施例4相同的效果。
(实施例7)准备两块陶瓷底板1，每一块都由厚度为0.25mm、尺寸为40mm×40mm的氧化铝衬底组成。两块陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后将该碳模具插入炉子中。炉中保持不高于100ppm的氮气和氧气。在炉中于750℃下加热纯度为99.7％(JIS No.1070)的铝，以得到熔态铝。除去熔态铝表面的氧化膜，通过一个碳圆柱在炉中施加压力将熔态铝注入模具中。模具如此设计，以致于当熔态铝注入模具时，在每一块陶瓷底板1的一个表面上(电路层一侧的表面)能形成厚度为0.4mm、尺寸为39mm×39mm的铝片2，在两块陶瓷底板1的另一表面上形成厚度为5mm、尺寸为110mm×60mm(JIS No.1070)的铝基板3，在铝基板3上形成多个平行的铝散热片4，散热片4在纵向方向上彼此间隔5mm，从基板3上沿着与在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一个散热片4高为25mm、厚度为5mm。冷却模具以使熔态铝固化并与陶瓷底板1相接合。模具在室温下冷却，将这样得到的组合构件从模具中移出。通过在其上印刷具有预定形状的防蚀涂层并使用氯化铁溶液蚀刻，而在铝片2的一个表面上形成电路图案。在除去防蚀涂层后，采用非电解的镍电镀法在铝上形成厚度为3μm的镍层，使得可制得包括与具有基板3和散热片4的陶瓷底板1直接接合的铝片2的组合构件。
用超声波探伤器检测本发明的组合构件。在铝片2和陶瓷底板1边界面以及基板3和陶瓷底板1的边界面上，均未发现缺陷。此外，陶瓷底板1上未发现有裂纹。进行热循环测试以评估已检测的组合构件。一种热循环是在-40℃下保温30分钟，25℃下保温10分钟，125℃下保温30分钟，25℃下再保温10分钟。
在经历3000次热循环后，再次用超声波探伤器检测边界面，确认在陶瓷底板上1上没有变化、没有裂纹。
(实施例8)在与实施例7的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.635mm的氮化铝衬底作为陶瓷底板。得到与实施例7相同的效果。
(实施例9)在与实施例7的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.32mm的氮化硅衬底作为陶瓷底板。得到与实施例7相同的效果。
(实施例10)准备两块陶瓷底板1，每一块都由厚度为0.25mm、尺寸为40mm×40mm的氧化铝衬底组成。两块陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后将该碳模具插入炉子中。炉中保持不高于100ppm的氮气和氧气。在炉中于750℃下加热按重量计分别为99.5％的铝和0.5％的铜，以得到它们的熔态。除去熔态铝合金表面的氧化膜，通过一个碳圆柱在炉中施加压力将熔态铝合金注入模具中。考虑到铝的腐蚀而加入铜。模具如此设计，以致于当熔态铝合金注入模具时，在每一块陶瓷底板1的一个表面上(电路层一侧的表面)能形成厚度为0.4mm、尺寸为39mm×39mm的铝片2，在两块陶瓷底板1的另一表面上形成厚度为5mm、尺寸为110mm×60mm的铝基板3，在铝基板3上形成多个平行的铝散热片4，散热片4在纵向方向上彼此间隔5mm，从基板3上沿着与在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一个散热片4高为25mm、厚度为5mm。冷却模具以使熔态铝合金固化并与陶瓷底板1相接合。模具在室温下冷却，将这样得到的组合构件从模具中移出。通过在其上印刷具有预定形状的防蚀涂层并使用氯化铁溶液蚀刻，而在铝片2的一个表面上形成电路图案。在除去防蚀涂层后，采用非电解的镍电镀法在铝上形成厚度为3μm的镍层，使得可制得包括与具有冷却基板3和散热片4的陶瓷底板1直接接合的铝片2的组合构件。
用超声波探伤器检测本发明的组合构件。在铝片2和陶瓷底板1的边界面以及基板3和陶瓷底板1的边界面上，均未发现缺陷。此外，陶瓷底板1上未发现有裂纹。进行热循环测试以评估已检测的组合构件。一种热循环是在-40℃下保温30分钟，25℃下保温10分钟，125℃下保温30分钟，25℃下再保温10分钟。在经历3000次热循环后，再次用超声波探伤器检测边界面，确认在陶瓷底板上1上没有变化、没有裂纹。
(实施例11)在与实施例10的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.635mm的氮化铝衬底作为陶瓷底板。得到与实施例10相同的效果。
(实施例12)在与实施例10的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.32mm的氮化硅衬底作为陶瓷底板。得到与实施例10相同的效果。
(实施例13)如图2所示，准备两块陶瓷底板1，每一块都由厚度为0.25mm、尺寸为40mm×40mm的氧化铝衬底组成。两块陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后将该碳模具插入炉子中。炉中保持不高于100ppm的氮气和氧气。在炉中于750℃下加热按重量计分别为99.5％的铝和0.5％的铜，以得到它们的熔融态。除去熔态铝合金表面的氧化膜，通过一个碳圆柱在炉中施加压力将熔态铝合金注入模具中。考虑到铝的腐蚀而加入铜。模具如此设计，以致于当熔态铝注入模具时，在每一块陶瓷底板1的一个表面上(电路层一侧的表面)能形成厚度为0.4mm、尺寸为39mm×39mm的铝片2，在陶瓷底板1的另一表面上形成厚度为50mm、尺寸为110mm×60mm的基板3，并在基板3中形成蛇形的水冷却护套5。冷却模具以使熔态铝合金固化并与陶瓷底板1相接合。模具在室温下冷却，将这样得到的组合构件从模具中移出。通过在其上印刷具有预定形状的防蚀涂层并使用氯化铁溶液蚀刻，而在铝片2的一个表面上形成电路图案。在除去防蚀涂层后，采用非电解的镍电镀法在铝上形成厚度为3μm的镍层，使得可制得包括与具有基板3的陶瓷底板1直接接合的铝片2的组合构件。
基板3的底面通过橡皮密封环11被铝片6封住。铝片6和橡皮密封环11由粘合剂固定。但也可以考虑用螺钉或者点焊固定。橡胶管7通过在基板3侧表面上成形的开口与水冷却护套5相连接。
用超声波探伤器检测本发明的组合构件。在铝片2和陶瓷底板1的边界面以及基板3和陶瓷底板1的边界面上，均未发现缺陷。此外，陶瓷底板1上未发现有裂纹。进行热循环测试以评估已检测的组合构件。一种热循环是在-40℃下保温30分钟，25℃下保温10分钟，125℃下保温30分钟，25℃下再保温10分钟。在经历3000次热循环后，再次用超声波探伤器检测边界面，确认在陶瓷底板上1上没有变化、没有裂纹。
(实施例14)在与实施例13的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.635mm的氮化铝衬底作为陶瓷底板。得到与实施例13相同的效果。
(实施例15)在与实施例13的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.32mm的氮化硅衬底作为陶瓷底板。得到与实施例13相同的效果。
(实施例16)如图3所示，准备两块陶瓷底板1，每一块都由厚度为0.25mm、尺寸为40mm×40mm的氧化铝衬底组成。两块陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具(carbonmold)上(未示出)，然后将该碳模具(carbon mold)插入炉子中。炉中保持不高于100ppm的氮气和氧气。在炉中于750℃下加热按重量计分别为99.5％的铝和0.5％的铜，以得到它们的熔融态。除去熔态铝合金表面的氧化膜，通过一个碳圆柱在炉中施加压力将熔态铝合金注入模具中。模具如此设计，以致于当熔态铝合金注入模具时，在每一块陶瓷底板1的一个表面上(电路层一侧的表面)能形成厚度为0.4mm、尺寸为39mm×39mm的铝片2，在两块陶瓷底板1的另一表面上形成厚度为5mm、尺寸为110mm×60mm的基板3，在基板3的一表面的边缘上形成一厚度为5mm、高度为25mm的竖直延伸壁9，在该表面上固定陶瓷底板1，在基板3的另一表面上形成多个平行的铝散热片4，散热片4在纵向方向上彼此间隔5mm，从基板3上沿着与在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一个散热片4高为25mm、厚度为5mm。冷却模具以使熔态铝合金固化并与陶瓷底板1相接合。模具在室温下冷却，将这样得到的组合构件从模具中移出。通过在其上印刷具有预定形状的防蚀涂层并使用氯化铁溶液蚀刻，而在铝片2的一个表面上形成电路图案。在除去防蚀涂层后，采用非电解的镍电镀法在铝上形成厚度为3μm的镍层，使得可制得包括与具有基板3和散热片4的陶瓷底板1直接接合的铝片2的组合构件。
用超声波探伤器检测本发明的组合构件。在铝片2和陶瓷底板1的边界面以及基板3和陶瓷底板1的边界面上，均未发现缺陷。此外，陶瓷底板1上未发现有裂纹。进行热循环测试以评估已检测的组合构件。一种热循环是在-40℃下保温30分钟，25℃下保温10分钟，125℃下保温30分钟，25℃下再保温10分钟。在经历3000次热循环后，再次用超声波探伤器检测边界面，确认在陶瓷底板上1上没有变化、没有裂纹。
(实施例17)在与实施例16的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.635mm的氮化铝衬底作为陶瓷底板。得到与实施例16相同的效果。
(实施例18)在与实施例16的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.32mm的氮化硅衬底作为陶瓷底板。得到与实施例16相同的效果。
(实施例19)如图4所示，准备两块陶瓷底板1，每一块都由厚度为0.25mm、尺寸为40mm×40mm的氧化铝衬底组成。两块陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)。
准备厚度为0.635mm、尺寸为10mm×20mm的两层氧化铝12并放置在模具中。
然后将该碳模具插入炉子中。炉中保持不高于100ppm的氮气和氧气。在炉中于750℃下加热按重量计分别为99.5％的铝和0.5％的铜，以得到它们的熔融态。除去熔态铝合金表面的氧化膜，通过一个碳圆柱在炉中施加压力将熔态铝合金注入模具中。模具如此设计，以致于当熔态铝合金注入模具时，在每一块陶瓷底板1的一个表面上(电路层一侧的表面)能形成厚度为0.4mm、尺寸为39mm×39mm的铝片2，在两块陶瓷底板1的另一表面上形成厚度为5mm、尺寸为110mm×60mm的基板3，在基板3固定陶瓷底板1的表面与氧化铝层12之间形成一高度为3mm、尺寸为10mm×20mm的接线基部10，在每一氧化铝层上形成厚度为0.4mm、尺寸为9mm×19mm的铝膜13，并在基板3的另一表面上形成多个平行的铝散热片4，散热片4在纵向方向上彼此间隔5mm，从基板3上沿着与在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一个散热片4高为25mm、厚度为5mm。冷却模具以使熔态铝合金固化并与陶瓷底板1相接合。模具在室温下冷却，将这样得到的组合构件从模具中移出。通过在其上印刷具有预定形状的防蚀涂层并使用氯化铁溶液蚀刻，而在铝片2的一个表面上形成电路图案。在除去防蚀涂层后，采用非电解的镍电镀法在铝上形成厚度为3μm的镍层，使得可制得包括与具有基板3和散热片4的陶瓷底板1直接接合的铝片2的组合构件。
采用超声波焊接形成将电子零件与接线基部10上的接线端相连接的铝金属丝。铝基板3一表面上的氧化铝层12比位于铝基板3同一表面上的陶瓷底板1高出接线基部10的高度。
用超声波探伤器检测本发明的组合构件。在铝片2和陶瓷底板1的边界面以及基板3和陶瓷底板1的边界面上，均未发现缺陷。此外，陶瓷底板1上未发现有裂纹。进行热循环测试以评估已检测的组合构件。一种热循环是在-40℃下保温30分钟，25℃下保温10分钟，125℃下保温30分钟，25℃下再保温10分钟。
在经历3000次热循环后，再次用超声波探伤器检测边界面，确认在陶瓷底板上1上没有变化、没有裂纹。
(实施例20)在与实施例19的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.635mm的氮化铝衬底作为陶瓷底板。得到与实施例19相同的效果。
(实施例21)在与实施例19的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.32mm的氮化硅衬底作为陶瓷底板。得到与实施例19相同的效果。
(比较实例1)准备一块带有散热片的基板用作对比。使用铣床切割厚度为30mm、尺寸为110mm×60mm、纯度为99.7％(JIS No.1070)的铝块，使得在其一表面上形成多个高为25mm、厚度为5mm、在纵向方向上彼此间隔5mm的平行铝散热片。准备两块厚度为0.25mm、尺寸为40mm×40mm的氧化铝衬底作为陶瓷底板。准备两块厚度为0.4mm、尺寸为39mm×39mm、纯度为4N的铝片。准备一厚度为20μm、由按重量计分别为95％的铝，4％的铜和1％的镁组成的铜合金箔。每一块厚度为0.4mm的铝片通过厚度为20μm的铜合金箔与每一块陶瓷底板的一表面相接合。陶瓷底板的另一表面通过厚度为20μm的铜合金箔与具有散热片的铝基板相接合，两块陶瓷底板彼此间隔10mm。应用20Kgf/cm2的压力时，于10-4托真空度、在630℃下，使铝片、陶瓷底板和基板接合在一起。组合之后，在每一块厚度为0.4mm的铝片的一个表面上印刷具有预定形状的防蚀涂层并使用氯化铁溶液蚀刻，以形成电路图案。在除去防蚀涂层后，采用非电解的镍电镀法在铝片上形成厚度为3μm的镍层，以致于可制得包括与陶瓷底板直接接合的两块铝片的组合构件。
用超声波探伤器检测用于对比的组合构件。在铝片和陶瓷底板的边界面以及基板和陶瓷底板的边界面上，均未发现缺陷。此外，陶瓷底板上未发现有裂纹。进行热循环测试以评估已检测的组合构件。
一种热循环是在-40℃下保温30分钟，25℃下保温10分钟，125℃下保温30分钟，25℃下再保温10分钟。在经历3000次热循环后，再次用超声波探伤器检测边界面，确认在陶瓷底板上没有裂纹。
然而，确认在陶瓷底板和基板之间的边界面有大约10mm的剥离，但确认在陶瓷底板上没有裂纹。
(比较实例2)在与比较例1相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.635mm的氮化铝衬底作为陶瓷底板。得到与比较例1相同的效果。
(比较实例3)在与比较例1的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.32mm的氮化硅衬底作为陶瓷底板。得到与比较例1相同的效果。
(比较实例4)准备一块带有散热片的基板用作对比。使用铣床切割厚度为30mm、尺寸为110mm×60mm、纯度为4N的铝块，以在其一表面上形成多个高为25mm、厚度为5mm、在纵向方向上彼此间隔5mm的平行铝散热片。准备两块厚度为0.25mm、尺寸为40mm×40mm的氧化铝衬底作为陶瓷底板。准备两块厚度为0.4mm、尺寸为39mm×39mm、纯度为4N的铝片。准备一厚度为20μm、由按重量计分别为95％的铝、4％的铜和1％的镁组成的钎焊合金箔。每一块厚度为0.4mm的铝片通过厚度为20μm的钎焊合金箔与陶瓷底板的一表面相接合。陶瓷底板的另一表面通过厚度为20μm的钎焊合金箔与具有散热片的铝基板相接合，两块陶瓷底板彼此间隔10mm。应用20Kgf/cm2的压力，于10-4托真空度、在630℃下，使铝片、陶瓷底板和基板接合在一起。组合之后，在每一块厚度为0.4mm的铝片的一个表面上印刷具有预定形状的防蚀涂层并使用氯化铁溶液蚀刻，以形成电路图案。在除去防蚀涂层后，采用非电解的镍电镀法在铝片上形成厚度为3μm的镍层，这样可制得包括与陶瓷底板直接接合的两块铝片的组合构件。
用超声波探伤器检测用于对比的组合构件。在铝片和陶瓷底板的边界面以及基板和陶瓷底板的边界面上，均未发现缺陷。此外，陶瓷底板上未发现裂纹。进行热循环测试以评估已检测的组合构件。
一种热循环是在-40℃下保温30分钟，25℃下保温10分钟，125℃下保温30分钟，25℃下再保温10分钟。在经历3000次热循环后，再次用超声波探伤器检测边界面，确认在陶瓷底板上没有裂纹。然而，确认在陶瓷底板和基板之间的边界面有大约10mm的剥离，但确认在陶瓷底板上没有裂纹。
(比较实例5)在与比较例4相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.635mm的氮化铝衬底作为陶瓷底板。得到与比较例4相同的效果。
(比较实例6)在与比较例4的相同条件下形成组合构件，不同的是使用厚度为0.32mm的氮化硅衬底作为陶瓷底板。得到与比较例4相同的效果。
表1显示了上述所有的结果。
表1
根据本发明，与传统方法相反并不把铅焊用于陶瓷电路底板与金属基板或者组合构件的连接，因此可以获得良好的生活环境，减少热传输的损失和热辐射的损耗。此外，不存在由于铅焊料的孔隙而使产率减少的风险。可以省略焊接金属基板或者合成构件的组装步骤。更进一步地，没有必要使用传热油脂来连接陶瓷电路底板和散热片，所以可以防止不良热传输。
通过用含有铝系列钎焊材料将陶瓷底板，例如氮化铝与铝电路板和散热片相连接，解决使用铅焊而带来的问题。可是，当它们作为电源模块并安置在交通工具中，例如自动和电动汽车，它们会被交替地、经常地加热和冷却，使得在陶瓷底板和铝片之间的界面层会产生剥离，或者由于陶瓷底板和铝片之间热膨胀系数不同以及使用了钎焊材料，而使得陶瓷底板受损。实际使用的钎焊材料的厚度最好是几百个μm，相对于放热片或散热片的几个mm非常小。
另外，钎焊材料层是脆性的，0.2的偏移会产生变形应力，并且这样产生的热应力很大，使得在边界层的钎焊材料层或者陶瓷底板本身受到损坏。
在本发明中，没有使用钎焊材料，陶瓷底板直接与铝片相接合，利用了焊接金属的塑性形变，因而可以减少在边界层的应力集中。根据本发明，热循环抗力相对于使用钎焊材料的情况有显著的提高。也就是说，根据本发明，可制备一种高可靠性、可应用于交通工具的铝-陶瓷组合构件。本发明的组合构件中，在3000次热循环试验后，确认在铝片和陶瓷底板的边界层没有任何变化，陶瓷底板上没有形成任何裂纹。一种热循环是从室温到-40℃并在-40℃下保温30分钟，改变到室温下保温10分钟，升温到125℃保温30分钟，并改变到室温再保持10分钟。
作为一种将陶瓷底板和铝片直接接合的方法，一种熔融金属焊接方法，一种直接接合方法，其中，铝片放置于陶瓷底板上并在惰性气体，如氮气中加热，或者可考虑一种Al-Si等共熔焊接的方法。
在熔融金属焊接方法中，熔态铝注入到将陶瓷底板固定在预定位置的模具中，以便熔态铝可以固化并接合在陶瓷底板上。熔融金属焊接法的特征是可选择模具的设计而容易制成具有不同形状的散热片。其他方法的特征是在氮气氛或真空条件下将带有散热片的铝元件与陶瓷底板焊接，散热片由切削加工或锻造等预先制成预定形状。散热片的形状由安装在电路板上的元件的热量决定。一般地，高度为几个cm，厚度为几个mm，彼此相距几个mm的如图1所示的散热片，可容易地由切削加工或锻造而制得。
将铝元件的尺寸制造得比陶瓷底板大，这用于电源模块制造步骤，使得从陶瓷底板上突出的铝元件的一部分可以用作为塑料封装等的接合部分。更进一步地，在突出部分，当其被冷却时抗压应力会施加于铝元件的散热片，导致热循环抗力升高。上面提到的突出部分也能用作模块组装步骤的参考面，例如焊接，(集成电路)引线接合法和封装等等。
在散热元件上形成围住陶瓷底板的壁的情况，此壁在制造电源模块时可用作容器以盛放代替塑料封装的绝缘凝胶，并直接作为模块的结构。
在散热元件上形成接线基部的情况，可以省略使用传统方法在电源模块上形成金属-陶瓷板组合构件的步骤。散热元件由含铜的铝形成的情况，能提高抗熔蚀性能。
根据本发明的铝-陶瓷组合构件包括陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一个表面上、其上固定电子零件的传导元件，以及直接接合在陶瓷底板的另一个表面上的铝或铝合金的水冷却护套。
在该组合构件中，使用水冷却护套能具备更稳定的冷却能力。考虑到腐蚀的存在，优选将铜加入到铝或铝合金中以形成水冷却护套。就组合构件构造的适应性和焊接的可靠性而言，优选使用熔融金属焊接方法作为直接接合方法。
关于陶瓷底板，就散热而言优选使用氮化铝，就强度而言优选使用氮化硅，就成本而言优选使用氧化铝。就电路设计来说使用多个陶瓷底板是可行的。
通过使用本发明的铝-陶瓷组合构件，能获得一种具有高散热性能、高热循环抗力和低组装成本的电源模块。
综上所述，根据本发明的组合构件，铝片和陶瓷底板的结合力比用钎焊方法的大而且几乎不产生接合缺陷。使用钎焊方法制成的传统组合构件中，铝散热片通过锻造或切削加工铝块制成，并在真空中用钎焊材料焊接到陶瓷底板上。在本发明中，与此相反的是，散热片可在铝片与陶瓷底板接合的同时制成。从而，低成本地制成了高散热性能，高可靠性并适应安装于高功率电子零件例如电源模块的组合构件。
虽然本发明结合了特殊实施例进行描述，但许多替换、改进和变化对本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本发明作为列举的优选实施例仅仅是举例说明，而不是用作对本发明的限制。在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可得到不同变化。本发明的范围将由此后所附的权利要求进行限定。
权利要求
1.一种铝-陶瓷组合构件，其特征在于包括一个陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一个表面上形成、其上固定电子零件的导电元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一个表面上的铝或铝合金散热元件(3)。
2.如权利要求1所述的组合构件，其中所述散热元件(3)的尺寸大于陶瓷底板(1)的尺寸。
3.如权利要求1或2所述的组合构件，其特征在于所述散热元件(3)具有包围陶瓷底板(1)的壁(9)。
4.如权利要求1，2或3所述的组合构件，其特征在于所述散热元件(3)具有一接线基部(10)。
5.如权利要求1，2，3或4所述的组合构件，其特征在于所述散热元件(3)包括铜。
6.一种铝-陶瓷组合构件，其特征在于包括一个陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一个表面上形成、其上固定电子零件的导电元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一个表面上的铝或铝合金水冷却护套(5)。
7.如权利要求9所述的组合构件，其特征在于所述水冷却护套(5)包括铜。
8.如权利要求1，2，3，4，5，6或7所述的组合构件，其中所述直接接合通过熔融焊接法实现。
9.如权利要求1，2，3，4，5，6，7或8所述的组合构件，其特征在于所述陶瓷底板(1)的主要成分是氧化铝，氮化铝或氮化硅中的一种。
10.一种铝-陶瓷组合构件，其特征在于包括多个陶瓷底板(1)，在每一块陶瓷底板(1)的一个表面上形成、其上固定电子零件的导电元件(2)，以及直接接合在每一块陶瓷底板(1)的另一个表面上的铝或铝合金散热元件(3)。
11.一种铝-陶瓷组合构件，其特征在于包括多个陶瓷底板(1)，在每一块陶瓷底板(1)的一个表面上形成、其上固定电子零件的导电元件(2)，以及直接接合在每一块陶瓷底板(1)的另一个表面上的铝或铝合金水冷却护套(5)。
12.一电源模块，其特征在于包括铝-陶瓷组合构件，该构件由以下组成一个陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一个表面上形成、其上固定电子零件的导电元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一个表面上的铝或铝合金散热元件(3)。
13.一电源模块，其特征在于包括铝-陶瓷组合构件，该构件由以下组成一个陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一个表面上形成、其上固定电子零件的导电元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一个表面上的铝或铝合金水冷却护套(5)。
14.一电源模块，其特征在于包括铝-陶瓷组合构件，该构件由以下组成多个陶瓷底板(1)，在每一块陶瓷底板(1)的一个表面上形成、其上固定电子零件的导电元件(2)，以及直接接合在每一块陶瓷底板(1)的另一个表面上的铝或铝合金散热元件(3)。
15.一电源模块，其特征在于包括铝-陶瓷组合构件，该构件由以下组成多个陶瓷底板(1)，在每一块陶瓷底板(1)的一个表面上形成、其上固定电子零件的传导元件(2)，以及直接接合在每一块陶瓷底板(1)的另一个表面上的铝或铝合金水冷却护套(5)。
全文摘要
本发明提供一种铝－陶瓷组合构件。该组合构件包括陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一个表面上形成、其上固定电子零件的导电元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一个表面上的铝或铝合金水冷却护套(5)。
文档编号C04B37/02GK1497711SQ03127280
公开日2004年5月19日 申请日期2003年9月27日 优先权日2002年9月27日
发明者小山内英世, 浪冈睦, 伊与西宪, 宪 申请人:同和矿业株式会社