专利名称：电或电子复合元件以及制造电或电子复合元件的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的电或电子复合元件，以及一种根据权利要求7的用于制造电或电子复合元件的方法。
背景技术：
典型地以软焊技术实现例如JFET，MOSFET, IGBT或二极管那样的功率半导体与功率电子部件的电路载体的接合(FUgen)和还有电路载体到底板/散热片上的接合。根据新的EU立法，未来禁止使用含铅的软焊料合金(Sn63Pb37和Sn5Pb95)。只能有条件地将基于 SnAgCu的无铅的软焊料合金使用为代用合金，因为这些软焊料合金在其可靠性方面、尤其是在无源的和有源的温度交变负荷下是受限的。作为代用合金的替代的高熔性软焊料，要么是在处理上太脆(Bi97. 5Ag2. 5)，要么太昂贵(Au80Sn20)。作为替代的耐高温的以及高可靠的接合技术，公知借助银膏对接合伙伴直接烧结。该技术称为低温连接技术(NTV)。在此，区分两种不同的实施可能性，也就是如在EP 2 426 26 Bl中所说明的银金属薄片(Flake)的烧结，以及如在WO 2005/079353 A2中所说明的银金属纳米微粒的烧结。在烧结时，不同于焊接过程，(烧结)微粒不达到液相，即它们不熔化。在银金属薄片的烧结时，需要用于烧细碎蜡的大气氧、约的温度、以及约40 MPa的高的工艺压力(Prozessdruck)。银金属纳米微粒的烧结提供选项，即用来自约100 kPa和5 MI^a之间压力范围的明显较低的压力来执行烧结过程。正如在银金属薄片的烧结时那样，在纳米微粒的烧结时也需要氧以及约的工艺温度。此外，公知的银金属纳米微粒膏表达(Pastenformulierimg)比基于银金属薄片的膏表达含有更高的有机物分量，例如溶剂和/或粘合剂。在公知的方法中，将烧结膏直接施加到第一和/或第二接合伙伴上， 接着在温度作用下互相挤压接合伙伴。在利用烧结膏的工艺控制(ProzessfUhrimg)时，存在必须通过烧结层交换高气体容积的困难；氧因此必须到达接合位置，并且溶剂以及烧掉的/氧化的有机物必须具有用于排出的可能性。这尤其在所希望的低工艺压力下、尤其是在大面积的接合时导致加强的裂纹形成。
发明内容
本发明所基于的思想在于，建议一种电或电子复合元件以及这样的复合元件的制造方法，其中，一方面可以放弃含铅的软焊料，和另一方面可以避免在烧结(接合)时另外的裂纹形成。在电或电子复合元件方面利用权利要求1的特征和在制造方法方面利用权利要求7的特征解决该任务。在从属权利要求中说明了本发明的有利的改进方案。由至少两个在说明书、权利要求和/或图中所公开的特征组成的所有的组合落在本发明的范围中。为了避免重复，根据装置所公开的特征应被看作是根据方法公开的，并且是被要求保护的。同样地，根据方法所公开的特征应被看作是根据装置公开的，并且是可被要求保护的。
本发明所基于的思想在于，不直接借助烧结膏来烧结、即直接互相固定至少两个接合伙伴，而是利用具有贯通开放多孔性的事先制造的烧结成型件借助烧结膏通过烧结将接合伙伴固定地连接。在此，所使用的烧结成型件(烧结薄膜)在接合伙伴的堆叠方向上的厚度延伸优选在约ΙΟμπι和约300μπι之间或更多。这样的烧结成型件拥有用于产生的接合位置的通风和排气的已经集成的和在与接合伙伴的随后烧结工艺中稳定的气体通道的优点。不同于通过使用银膏将接合伙伴互相直接接合，在按照本发明概念所构成的复合元件情况下，或通过本发明的制造方法此外实现，仅仅需要降低的气体交换，所述气体交换于是附加地通过在烧结成型件中的已经预先定义的路径明显更有效地实现。在接合伙伴之间设置多孔的烧结成型件的另一优点在于，尤其是当用组成烧结成型件的相同的材料将接合伙伴与烧结成型件连接时，烧结成型件已经具有与产生的接合位置相同的特性，诸如高的导电性和导热性、大的多孔性和因此比较小的E模块。尤其是当大面积的接合伙伴、例如硅功率半导体和电路载体、或电路载体和散热片、通过烧结与烧结成型件连接时，将多孔的烧结成型件用作插入或嵌入件对用于将接合伙伴与烧结成型件接合的烧结工艺起正面的作用。使用烧结成型件的另一优点在于，扩展在设计接合位置时的自由度，因为烧结成型件可以比接合伙伴中的至少一个、优选比两个接合伙伴具有更大的面积，和/或比在按照现有技术的工艺控制时、也就是在借助烧结膏直接烧结接合伙伴时，可使接合伙伴明显更远地互相相间隔。该优点尤其是在于提高的耐温度交变性能。本发明可以在大量电或电子应用中被使用。特别优选的是在功率电子模块中实现，例如对于能量转换的许多形式需要所述功率电子模块，尤其是机械/电(发电机，整流器)，电/电(变流器，AC/AC, DC/DC),以及电/机械(电传动，逆变(Wechselrichtung))。除此之外，可将相应构成的功率电子模块用于机动车发电机中的整流，用于控制电传动，用于 DC/DC转换器，用于脉冲逆变，用于混合/FC/E传动，以及用于光电逆变器等等。附加地和替代地，根据本发明也可将具有较高损耗功率的各个组件尤其是接合在分立封装的冲压格栅上，其于是可以例如被用作在印刷电路板技术中完全无铅的解决方案。在具有半导体激光二极管的结构中，或在MEMS和传感器的情况下尤其是用于高温应用的本发明的实现是特别优选的。其它的应用领域是半导体发光二极管和雷达应用的高频半导体。复合元件的一种实施形式是完全特别优选的，其中，烧结成型件由银金属、尤其是银金属薄片制造，和/或包括银金属、尤其是银金属薄片。由银金属制造的或包括银金属的烧结成型件，鉴于高的导电性和导热性是有利的。除此之外，银适用于实现贯通开放的形成气体通道的多孔性。如果借助银烧结膏将这样构造的烧结成型件与接合伙伴中的至少一个、优选与两个接合伙伴接合，则是进一步优选的。完全特别优选地在银烧结工艺中制造烧结成型件，优选如此实施该银烧结过程，使得烧结成型件或后来要划分成大量烧结成型件的烧结件在所属的挤压过程中既不与所使用的凸模(Stempel)又不与所使用的凹模 (Matrize)连接。这例如可以如下来实现，即凸模和凹模具有涂有氧化物的钢表面，如这例如在Mertens的论文中、在第78和79页上、ISBN 3-18-336521-9所说明的那样。在本发明的改进方案中有利地规定，尤其是借助烧结膏、优选借助银烧结膏将第一和/或第二接合伙伴与烧结成型件进行烧结。在由烧结成型件和烧结膏制成的所获得的组合的烧结接合位置中通过多孔性的均勻特性，例如机械模量的重要材料特征值以及导电性和/或导热性应该可以比在现有技术中所可能的更为均勻地表示。优选将烧结膏、尤其是银烧结膏要么既施加到接合伙伴上又施加到然后用作沉积(Depot)的烧结成型件上，要么替代地仅在双侧施加到烧结成型件上，要么进一步替代地仅施加到烧结成型件的一侧上和施加到仅一个接合伙伴上。在接合工艺时，通过温度和必要时压力引入，从烧结膏中除去有机组分。通过预烧结的烧结件的开放的多孔性，确保蒸发的或氧化的有机组成部分的运走。在接合工艺的继续的进程中，发生烧结膏、尤其是银烧结膏与相应的接合伙伴和多孔的银烧结件的烧结(银预成型)。在此，其它的有机组成部分被氧化。通过预烧结的银成型件运送氧化产物和所需要的氧。鉴于第一和第二接合伙伴的构成，存在导致最不同的复合元件的最不同的可能性。完全特别优选地，第一接合伙伴是电子元件、优选半导体元件，完全特别优选是经由烧结成型件可与第二接合件、尤其是电路载体(印刷电路板)相连接的功率半导体。同样可将构成为电路载体的第一接合伙伴经由烧结成型件与第二优选构成为尤其是由铜制成的底板的第二接合伙伴相连接。铜底板优选用作散热片，或与用作散热片的冷却体相连接。也可将冷却体(第一接合伙伴)与底板(第二接合伙伴)经由烧结成型件互相连接。还可以经由烧结成型件将至少一个结合线(Bonddraht)或至少一个结合细带与另一接合伙伴、尤其是电子元件、优选半导体元件、尤其是功率半导体元件或电路载体(电气设备元件)相连接、即 (接触)。在此情况下，烧结成型件起提高可靠性的作用。同样可能的是，第一接合伙伴例如是电元件、尤其是冲压格栅(线路格栅)，所述冲压格栅经由烧结成型件可与第二接合伙伴、 尤其是电路载体、更准确地电路载体的金属相连接。迄今将冲压格栅直接焊接到印刷电路板(电路载体)上，由此经常产生封闭的细孔/空穴(缩孔)。在公知的工艺控制的情况下，接合缝隙还激烈地波动，使得在每种情况下不存在或不能保证在温度和温度交变载荷下的可靠性。可以实现第一和第二接合伙伴的从权利要求中得出的其它的组合，其中，借助烧结膏通过烧结可将接合伙伴与烧结成型件相连接。烧结成型件的使用不局限于具有仅仅两个接合伙伴的复合元件。因此例如可以设想制造具有两个或还要更多的烧结成型件的复合元件，其中，分别经由烧结成型件互相固定至少两个接合伙伴。以此方式，可以制造包括三个或更多接合伙伴的夹层式结构，其中， 优选在堆叠方向上堆叠接合伙伴和烧结成型件。因此例如可将由功率半导体所形成的第二接合伙伴在两侧上分别经由烧结成型件与形成第一或第二接合伙伴的电路载体相连接，使得将功率半导体夹层式地接纳在电路载体之间，和其中，烧结成型件分别处在电路载体和功率半导体之间。夹层结构不必强制性地在一个工艺步骤中实现，而是例如也可以两级或多级地来制造。本发明也通向一种用于制造电或电子复合元件、优选如上所述构成的复合元件的方法。本方法的核心是，借助烧结膏将至少两个接合伙伴与开放多孔的烧结成型件(烧结薄膜)进行烧结，其中，可将相同的烧结膏或替代地将不同的烧结膏使用于两个接合伙伴。在此，将接合伙伴完全特别地烧结到烧结成型件的两个互相背离的侧上。本发明方法的优点在于，由于烧结成型件的通常开放多孔的构造，气体在与接合伙伴的连接工艺(烧结工艺) 时漏出，并且在需要时，可将气体(例如氧)引导向接合位置。优选从侧向、也就是横向于接合伙伴的堆叠方向实现气体排放和气体供给。完全特别优选的是该方法的实施变型方案，其中，在接合工艺之前，尤其是借助凸模和凹模来制造烧结成型件(烧结薄膜)。在此，可以将烧结成型件直接烧结，或在实现的烧结工艺之后从大的烧结件中塑造出、例如冲压出、锯或切出烧结成型件。
从优选实施例的以下说明中以及借助附图得出本发明的其它的优点、特征和细节。其中
图1示出功率电子复合元件(这里为功率电子部件/模块)， 图2示出用于互相连接两个接合伙伴的烧结成型件的部分图示， 图3示意地示出用于制造包括两个接合伙伴的电或电子复合元件的制造工艺，和图4以示意图的方式示出用于制造具有三个接合伙伴和两个烧结成型件的电或电子复合元件的制造工艺。
具体实施例方式在图中用相同的参考符号来标识相同的元件和具有相同功能的元件。图1示出电子复合元件1。该电子复合元件1包括第一接合伙伴2、第二接合伙伴 3以及第三接合伙伴4。在所示的实施例中，第一接合伙伴2是功率半导体组件，这里为IGB 晶体管。第二接合伙伴3是电路载体，和第三接合伙伴4是由铜制成的底板。由铜制成的底板又固定在冷却体5 (散热片)上。在第一接合伙伴2和第二接合伙伴3之间布置具有在堆叠方向S上约50 μ m的厚度延伸的烧结成型件6。借助银烧结膏通过烧结将第一接合伙伴2和第二接合伙伴3固定在烧结成型件6的两个互相背离的侧上。烧结成型件6也由银烧结材料形成。第二接合伙伴3又经由另一烧结成型件7与第三接合伙伴4相连接，其中，第三接合伙伴4以及第二接合伙伴3也分别利用银烧结膏与烧结成型件7固定连接。在所示的实施例中，将第三接合伙伴4与冷却体5直接焊接。替代地(未示出)也可以在第三接合伙伴4和冷却体5之间设置烧结成型件，利用该烧结成型件借助烧结膏通过烧结固定第三接合伙伴4和冷却体5。如进一步从图1中得出的那样，塑料外壳8固定在由底板所形成的第三接合伙伴4 上，该塑料外壳8包围包括第一和第二接合伙伴2，3以及烧结成型件6的堆叠装置。由弹性保护物质9围绕所谓的堆叠装置。将连接线10，11引导穿过所述保护物质9直到外壳8 的外面，所述连接线10，11经由烧结成型件6以与所述连接线接触的方式被固定在第二接合伙伴3 (电路载体)上。图2示出由银金属薄片制造的烧结成型件6的结构。可以看出贯通开放的多孔性。该多孔性形成透气通道，气体通过所述透气通道可以从接合位置向外流，或在烧结工艺时可以流向接合位置。气体优选侧向地、也就是横向于堆叠方向S (参阅图1)从细孔中排出，由此避免在使用烧结膏的情况下由于烧结工艺的裂纹形成。图3强烈示意地示出用于制造在图平面右边所示出的电或电子复合元件1的制造工艺。后者包括夹层式地在其间接纳烧结成型件6的在图平面中上方的第一接合伙伴2和在图平面中下方的第二接合伙伴3。第一接合伙伴2例如是芯片，和第二接合伙伴3是电路载体。替代地也可以设想，第一接合伙伴2是电路载体，和第二接合伙伴3是尤其由铜制成的底板和/或冷却体。替代地可以实现第一和第二接合伙伴2，3的从权利要求中得出的其它组合。在所示的实施例中，首先将烧结膏12 (这里为银烧结膏)作为沉积施加到烧结成型件6的两个表面侧上。在堆叠方向S堆叠之后，将接合伙伴2，3、烧结成型件6以及烧结膏12输送给烧结工艺13。该烧结工艺是烧结成型件6的第二烧结工艺。用于烧结烧结膏 12的气体交换可以经由烧结成型件6的整个多孔的容积发生。在接合伙伴2，3之间的烧结，在烧结工艺之后通常在边缘区域处(尤其是在芯片沿边处)不显示出与在内部区域中相同的多孔性。这可归因于在那里不能建立均衡的压力情况，并且因此发生局部具有轻微压缩的烧结。对于仅仅使用烧结膏的情况可以设想，在接合区的边缘区域中附加地产生隆起状的挤出。借助图3也可以阐述一种替代的接合工艺。因此第二接合伙伴3例如可以是电路载体、尤其是电路载体的金属、典型地为铜或铜合金，和第一接合伙伴2可以是典型地由铜或铜合金制成的冲压格栅。例如可将烧结膏印刷或分配(dispensen)到第二接合伙伴3上。 接着，安放烧结成型件6。在需要时，烧结成型件6可以在第一接合伙伴2 (冲压格栅)的对面上已经带来烧结膏沉积。替代地在下游的工艺(例如分配)中，施加烧结膏作为烧结膏沉积。随后将第一接合伙伴2施加到烧结膏上和输送给烧结工艺(压力+温度)。烧结成型件 6的多孔的构造现在导致用于从烧结膏系统中放气的足够的可能性。图4在图平面中右边示出由多部分构成的电或电子复合元件1。该电或电子复合元件1总共包括三个接合伙伴2，3，4，其中，分别在两个接合伙伴2，3 ;3，4之间布置烧结成型件6，7。例如第一和第三接合伙伴2，4可以分别是电路载体，和中心的、即内部的接合伙伴3可以是功率半导体。不必强制性地在共同的烧结工艺中接合夹层结构，而是也可以实现两级工艺控制，例如首先第一接合伙伴1、烧结成型件6、第二接合伙伴3，然后接着第三接合伙伴4，或替代地首先第三接合伙伴4、另一烧结成型件7、第二接合伙伴3，然后接着是第一接合伙伴2。
权利要求
1.电或电子复合元件，包括第一接合伙伴(2)和至少一个第二接合伙伴(3)，其特征在于，在第一和第二接合伙伴(2，3)之间接纳开放多孔的烧结成型件(6，7)，所述烧结成型件(6，7)借助烧结膏通过烧结与第一和第二接合伙伴(2，3)烧结。
2.按照权利要求1的复合元件，其特征在于，所述烧结成型件(6，7)由银金属、尤其是银金属薄片制造，和/或包括银金属、尤其是银金属薄片。
3.按照以上权利要求之一的复合元件，其特征在于，所述第一接合伙伴(2)是电子元件、优选半导体元件、尤其是功率半导体元件、或电路载体、尤其是电路载体的金属化、或冲压格栅、或结合线、或结合细带、或底板。
4.按照以上权利要求之一的复合元件，其特征在于，所述第二接合伙伴(3)是电子元件、优选半导体元件、尤其是功率半导体元件、或电路载体、尤其是电路载体的金属化、或优选由铜制成的底板、或冷却体(5 )。
5.按照以上权利要求之一的复合元件，其特征在于，在第一接合伙伴(2)和第三或第四接合伙伴(4)之间接纳另一烧结成型件(7)，和/或在第二接合伙伴(3)和第三或第四接合伙伴(4)之间接纳另一烧结成型件(7)，所述烧结成型件(7)借助烧结膏优选与相邻的接合伙伴(2，3，4)烧结。
6.按照权利要求5的复合元件，其特征在于，第三和/或第四接合伙伴(4)是电子元件、优选半导体元件、尤其是功率半导体元件、或电路载体、尤其是电路载体的金属化、或优选由铜制成的底板、或冷却体(5 )。
7.用于制造优选按照以上权利要求之一的电或电子复合元件(1)的方法，其中，将第一和第二接合伙伴(2，3)借助烧结膏固定地与开放多孔的烧结成型件(6，7)烧结。
8.按照权利要求7的方法，其特征在于，将第一和第二接合伙伴(2，3)固定在烧结成型件(6，7)的两个互相背离的侧上。
9.按照权利要求7或8之一的方法，其特征在于，将第一和/或第二接合伙伴(2，3)借助烧结膏(12，13)与烧结成型件(6)在共同的烧结步骤中在温度和/或压力作用下烧结。
10.按照权利要求9的方法，其特征在于，在烧结之前，将烧结膏(12，13)施加、优选印刷或分配到第一接合伙伴(2)和/或第二接合伙伴(3)和/或烧结成型件(6，7)上。
11.按照权利要求7至10之一的方法，其特征在于，在第一接合伙伴(2)和第三或第四接合伙伴(4)之间布置另一烧结成型件(7)，和/或在第二接合伙伴(3)和第三或第四接合伙伴(4)之间布置另一烧结成型件(7)，所述烧结成型件(7)借助烧结膏(12，13)优选与相邻的接合伙伴(2，3，4)烧结。
12.按照权利要求11的方法，其特征在于，在共同的工艺步骤中或在分离的工艺步骤中执行另一烧结成型件(7)与第一或第二接合伙伴(2，3)的烧结以及烧结成型件(6，7)与第一和第二接合伙伴(2，3)的烧结。
13.按照权利要求7至12之一的方法，其特征在于，将烧结件分开成大量烧结成型件 (6，7)。
全文摘要
本发明涉及包括第一接合伙伴(2)和至少一个第二接合伙伴(3)的电和电子复合元件(1)。根据本发明规定，在第一和第二接合伙伴(2，3)之间接纳开放多孔的烧结成型件(6，7)，所述烧结成型件(6，7)借助烧结膏通过烧结与第一和第二接合伙伴(2，3)烧结。本发明还涉及一种制造方法。
文档编号H01L23/373GK102272921SQ200980151786
公开日2011年12月7日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月23日
发明者沃尔德-乔尔吉斯 D., 彼得 E., 聚斯克 E., 施瓦茨鲍尔 H., 京特 M., 里特纳 M. 申请人:罗伯特·博世有限公司, 西门子公司