专利名称：受冷却的电结构单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1、2、3、19或22的前序部分的受冷却的电气或电子
结构单元。
背景技术：
已知所谓的“DCB 方法”(直接键合铜技术(Direct-Copper-Bond -Technology)) 例如用于金属层或金属板(例如铜板或铜箔)彼此间和/或与陶瓷或陶瓷层的连接，具体而言通过使用金属板或铜板或者金属箔或铜箔来实现连接，所述金属板或铜板或者金属箔或铜箔在其表面侧具有由金属和反应气体(优选氧气)的化合物形成的层或覆盖部(热熔化层)。在这种例如在US-PS 37 44120或在DE-PS 23 19 854中描述的方法中，层或覆盖部(热熔化层)形成熔点低于在金属(例如铜)的熔点的共晶体(Eutektikum)，从而通过将箔铺设(auflegen)到陶瓷上并通过加热所有层使箔和陶瓷相互连接，具体而言通过热熔化金属或铜基本上仅在热熔化层或氧化层的区域中实现连接。该DCB方法例如包括如下方法步骤对铜箔进行氧化，形成均勻的铜氧化层；将铜箔铺设到陶瓷层上；将该复合体加热到约1025至1083°C之间的处理温度，例如到约1071°C ；冷却到室温。还已知所谓的活性焊料(Aktivlot)或AMB 方法(DE 22 13 115 ；EP-A-153 618)， 例如用于形成金属化部的金属层或金属箔(特别是铜层或铜箔)与陶瓷材料的连接。这种方法也专门用于制造金属陶瓷基板，其中，在约800 1000°C的温度下在使用硬焊料的情况下形成金属箔(例如铜箔)与陶瓷基板(例如氮化铝陶瓷)之间的连接，所述硬焊料除了主要组分，如铜、银和/或金以外还例如包含活性金属。该活性金属例如为组Hf、Ti、&、 Nb、Ce中的至少一种元素，这种活性金属通过化学反应形成焊料与陶瓷之间的连接，而焊料与金属之间的连接为金属_硬焊料结合。还已知用于按厚膜技术(厚层技术)形成特别是导体线路、接触面等的金属化部的方法，其中包含金属化部的金属的膏例如按筛网印刷法施设到隔离的基板(陶瓷层)上， 接着通过加热引入。还已知冷却的电气或电子结构单元，其在最简单的情况下分别由至少一个电气或电子模块和冷却器(例如主动冷却器)组成。 按照本发明的电气或电子模块为特别简单或复杂的电气或电子电路(Schaltimg) 或开关电路(Schaltkreis)，其至少由金属陶瓷基板组成并分别具有至少一个电气或电子部件以及功率部件，例如如二极管、晶体管、IGBT、晶闸管等的半导体部件。
主动冷却器按照本发明为具有相应的至少一个可由气态和/或蒸汽态和/或液态的冷却介质(例如水，必要时具有添加剂)流动通过的冷却通道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电气或电子结构单元，其确保对至少一个模块和至少一个电气或电子部件、特别是也对至少一个功率部件的优化冷却，和/或实现特别低廉的制造。为了实现该目的，根据权利要求1、2、3、19或22构成电结构单元。在本发明的扩展方案中，电结构单元例如这样构造所述金属陶瓷基板的陶瓷层在远离所述第一金属化部的表面侧设有第二金属化部，并利用所述第二金属化部例如经由导热的中间层与各自的冷却器至少热连接，禾口/ 或一个金属陶瓷基板的第一金属化部设有外部的电连接部，所述电连接部突出于所述模块的外表面，禾口/ 或所述电连接部为与所述第一金属化部连接的引线，所述引线例如由引线框构成，和/ 或为了形成电连接部，至少一个金属陶瓷基板的陶瓷层至少以结构化的第一金属化部引出到模块的和/或电结构单元的外表面或外部轮廓之外，并且在所述电连接部的区域中在陶瓷层的远离所述第一金属化部的侧面上设置金属表面，该金属表面经由金属的镀通孔(Durchkontaktierung)与第一金属化部电和机械地连接，和/ 或所述陶瓷层在连接部的区域中设有预定断裂部位或连贯的缝隙，和/ 或在将所述至少一个模块构造成功率模块时，至少所有外部的电功率连接部设置在单一的金属陶瓷基板上和/或突出于电结构单元或模块的相同的侧面，和/ 或所述冷却器结构具有至少三个冷却器，所述冷却器彼此平行且彼此间隔开地设置，并且在每两个冷却器之间分别设置至少一个模块，所述模块与彼此相邻的两个冷却器在模块的彼此对置的两个侧面至少热连接，和/ 或所述冷却器经由间距保持器彼此连接和/ 或至少设置在几个间距保持器中的开口与冷却器中的开口相互补充成用于供应和排出冷却介质的通道，和/ 或形成冷却器结构的冷却器多层地由彼此连接的板的多个表面组成，和/ 或冷却器至少部分地由具有多个冷却通道的扁平型材构成的板形成，和/ 或冷却器结构具有至少两个例如由管件形成的腔和至少两个在这些腔之间延伸的扁平冷却器，所述扁平冷却器的冷却通道与所述腔连接，并且所述腔以其纵向延伸垂直或横向于所述扁平冷却器的表面侧设置，
和/ 或至少两个模块梳状地连接成能套装到冷却器结构的冷却器上的梳状的模块单元，和 / 或所述冷却器为扁平的板形冷却器，和/ 或所述冷却器为具有微观或宏观冷却通道的冷却器，特别是具有与不断地(多次地)沿多个空间轴分支的冷却通道、必要时具有支柱并具有向冷却通道中传递热的表面或翼部的冷却器，和 / 或冷却器结构的各冷却器构造为相同的，和 / 或金属陶瓷基板特别是为了形成电连接部而在相同的侧面或不同的侧面从模块单元(16b)引出，和 / 或至少一个模块的金属陶瓷基板在模块的至少一侧设有伸出于该侧的部段，并且金属陶瓷基板的所述部段还沿平行于金属陶瓷基板的表面侧的轴向方向彼此错开，和/ 或至少一个冷却器或扁平型材由金属材料、例如铜、铜合金、铝、铝合金制成，和/或由塑料、例如具有改善导热性的如石墨和/或碳纳米纤维材料形式的添加剂的塑料制成，和/ 或所述冷却通道在两端分别通入例如由管件形成的腔中，和/ 或所述冷却器元件和所述盖部由铝、铝合金或塑料制成，所述塑料优选具有改善导热性能的填充物，和/ 或所述盖部同样构造为盆状的，优选构造为与盆状的冷却器元件相同的，或者构造为扁平的盖， 和/ 或所述盖部和所述冷却器元件通过粘接、优选在使用导热粘接剂的情况下彼此连接，和 / 或至少所述冷却器元件制造为成型件和/或通过去除材料的加工制造，和/ 或所述至少一个模块固定在底部的外侧上，和 / 或电模块或其金属陶瓷基板经由至少一个中间层与各自的冷却器连接，和 / 或中间层由金属、例如焊料，由导热粘接剂或导热膏形成，和 / 或
中间层为焊接中 间层以及焊料层，和/ 或中间层为粘接中间层和由导热粘接剂构成的层，和/ 或陶瓷层为由A1203、Al203+Zr02, AlN 和 / 或 Si3N4 构成，和/ 或各个陶瓷金属基板使用AMB、DCB和/或DAB技术制造，和/ 或金属陶瓷基板的陶瓷层具有在0. 15 2. Omm的范围内的厚度，和/ 或至少一个金属化部由铜、铜合金、铝、铝合金组成，和/或具有0. 012 0. 8mm的范围内的厚度，和 / 或至少一个金属化部单层或多层地由Ag、Ag-Pd, Ag-Pt、W/Ni、Mo-Mn/Ni组成，和/ 或具有0. 01 0. 9mm的厚度，和/ 或焊接中间层由Ni、Cu和/或NiP组成，和/或通过冷喷涂、等离子体喷涂和/或火焰喷涂施设，和 / 或粘接中间层由Al2O3形成，和/或具有0. 01 0. Imm的厚度，和 / 或焊料层由Sn合金、Pb合金、Bi合金、In合金和/或由Ag组成，和/或具有0. 02 0. 5mm的厚度，和 / 或焊接中间层由具有7 2ppm的膨胀系数的金属材料组成，例如由CuW和/或CuMo 组成，和 / 或对于经由至少一个中间层结合到冷却器上的金属陶瓷基板，与中间层相邻的冷却器壁的厚度选择得这样小，使得由温度引起的机械应力通过冷却器壁的弹性补偿，并且所述机械应力保持远离或保持至少基本上远离所述至少一个中间层和/ 或冷却器壁的厚度例如在0. 2mm至1. 5mm之间的范围内。其中上述特征可分别单独或任意组合地设置。本发明的扩展方案、优点和应用领域也由如下实施例的描述以及附图获得。在此， 所有描述和/或图示的特征单独或任意组合原则上为本发明的主题，而与在权利要求中对其进行的概括或其引用关系无关。权利要求的内容也为本说明书的组成部分。
下文中参照附图借助于实施例更为详细地阐释本发明。附图示出
图1示出根据本发明的电气或电子结构单元的简化的示意图和剖视图；
图2-5分别示出图1的结构单元的不同连接部(端子)的细节图和剖视图；图6示出根据本发明的结构单元的另一个实施形式的如图1的图示；图7示出图6的结构单元的俯视图；图8示出在图1和/或6和7的结构单元中使用的主动冷却器的一种可能实施形式的局部透视图；图9和10示出在根据本发明的结构单元中使用的主动冷却器结构的局部图和俯视图；图11示出图9和10的冷却器结构的元件连同包括多个模块的模块单元的透视图；图12示出具有由扁平型材形成的扁平冷却器的电气或电子通用单元的俯视图；图13示出图12的电子结构单元的剖视图；图14示出在根据本发明的电气或电子结构单元中使用的扁平冷却器的透视分解图；图15示出本发明的另一个实施形式的如图1的图示；图16示出根据本发明的电子结构单元的金属陶瓷基板的俯视图；图17示出在根据本发明的电气或电子结构单元中使用的扁平冷却器的简化的剖视图。
具体实施例方式在图1中整体上用1表示的电子结构单元主要包括两个外部的形成冷却器结构的扁平板形的冷却器2和3、两个金属陶瓷基板4和5以及多个电气或电子部件6，所述冷却器在所示实施形式中构造为主动/有源(aktiv)冷却器，即构造为可由冷却介质流动通过的冷却器，例如构造为液体冷却器。连接到图1上部的冷却器2上的金属陶瓷基板4包含陶瓷层7，该陶瓷层在一个表面侧设有连贯的金属化部8，并且在另一表面侧设有形成导体线路、接触面等的结构化的金属化部9。以类似的方式，金属陶瓷基板5包括陶瓷层10、下部的连续的金属化部11和上部的用于形成导体线路、接触面等的结构化的金属化部12。在两个金属陶瓷基板4和5之间或在两个结构化的金属化部9和12之间设置部件6，并且所述部件与构成到所述部件6的电连接部的金属化部以合适的方式热和电连接， 特别是例如通过焊接连接。位于外部的连续的金属化部8和11分别整面地至少导热地与冷却器2或3连接， 特别是例如经由导热的中间层13或14与冷却器连接，所述中间层例如分别为例如软焊料层的焊料层、由导热胶或导热膏构成的层。原则上还存在 如下可能性，即中间层13和14构造为多层的，例如包括在冷却器2和3上的焊接中间层(Lotvermittlungsschicht)和焊料层，或包括在冷却器2和3上的粘接中间层和导热粘接剂层。如果中间层13和14包括导热膏，则通过适当的措施，例如通过夹持装置(Sparmeinrichtimg)确保，两个冷却器2和3 经由中间层13和14压紧地贴靠在模块单元16的顶侧和底侧上。
陶瓷层7和10例如是由A1203、A1203+&02、A1N、Si3N4或由一个或多个上述陶瓷的组合构成的陶瓷层。金属化部8、9、11和12例如为由铜或铜合金或铝或铝合金构成的金属化部，其借助于适当的连接工艺(例如通过使用直接结合工艺、活性焊料结合工艺)或通过使用粘接剂施设到相应的陶 瓷层上，或者所述金属化部例如为使用厚膜技术制造的金属化部。用于结构单元1的电连接部(端子)、特别是功率连接部优选仅设置在两个金属陶瓷基板之一上，即在所示实施形式中设置在金属陶瓷基板4上，例如通过引出对应的金属化部9或相应单独的引线或连接部15而设置，所述引线或连接部以适当的方式与结构化金属化部9连接并例如通过自由冲压(Freistanzen)由引线框中形成。两个金属陶瓷基板4和5以及设置在这两个金属陶瓷基板之间的部件6形成一个模块，该模块在图1中整体上用16表示，并在实际的结构中用电绝缘的填料密封地填充，特别是以如下方式填充，即填料填满存在于金属陶瓷基板4和5与部件6之间的所有空腔，而且是这样填充，使得仅有电连接部15从被填充的模块16中侧向伸出，并且金属化部8和11 露出，以便热连接到冷却器2和3上。电子的结构单元1的优点在于对模块16或部件6特别有效的双侧冷却，即不仅在顶侧而且在底侧进行冷却。由于模块16设置在两个冷却器2和3之间，因此电结构单元1 也可称为热接口模块(Interfacemodul)。以上优点基于以下事实，外部连接部15由与结构化的金属化部9或与这里的金属表面连接的引线形成。图2-5分别以简化图和剖视图示出其他构成外部连接部15a-15d的可能性，使得具有至少一个形成相应连接部的金属化部的陶瓷层7从模块16的、由填料形成的壳体中引出。在图2中由附图标记15a表示的连接部由下部的结构化的金属化部9、通过使上部的金属化部8结构化而形成的金属表面17和镀通孔18形成，所述镀通孔在陶瓷层7中的开口的区域中连接金属化部9和金属表面17。由此与连接部15a的外部电连接可以在金属化部9和金属层17的彼此远离的侧面上实现，而没有由于夹紧引起陶瓷层7断裂的危险， 其中镀通孔18不仅形成电连接，而是同时还用作机械支撑。图3作为另一实施例示出连接部15b，该连接部与连接部15a的区别仅在于，在陶瓷层7中形成预定断裂部位19，该预定断裂部位设置在模块16的由填料形成的壳体之外， 而且是这样设置，使得作用于连接部15b上并超过陶瓷层7的断裂强度的力使得陶瓷层7 在不重要的区域中、即在预定断裂部位19处断裂。在图4中示出的连接部15c与连接部15b的不同之处基本上在于，代替预定断裂部位19在陶瓷层7中加工出缝隙19. 1，从而外部的作用到连接部15c上且超过陶瓷层7的断裂强度的力不会使陶瓷层7断裂。图5最后示出连接部15d，该连接部与连接部15b和15c的不同之处在于，金属表面之一，例如上部的金属表面17和镀通孔18被省去。但原则上在图5的实施例中也可设置上部的金属化部17。图6和7示出作为另外的实施形式的电结构单元la，其与电结构单元1的不同之处首先在于，总共设置三个冷却器20-22和两个模块16，具体而言使得冷却器20-22和设置在这些冷却器之间的模块单元16形成堆叠状的构造或冷却器结构，从而每个模块16以其顶侧和底侧与冷却器20和21或21和22连接，而且例如还经由中间层连接。冷却器20-22同样为扁平的板形和主动冷却器，即是可由冷却介质流动通过的冷却器。为了供应冷却介质，在结构单元Ia的顶侧设置接头23和24，所述接头与冷却器 20-22中的开口以及间隔设置到冷却器20-22中的间距保持器25—同形成用于供应和排出冷却介质的分配通道。通过0形环或密封环26向外密封冷却器20-22与接头23和24之间或与间距保持器25之间的过渡部。通过未详细示出的连接构件或夹持构件，各个元件彼此夹持和/或连接成具有冷却器20-22的结构单元Ia或冷却器 结构。原则上还存在如下可能性特别是由冷却器20-22、接头23和24以及间距保持器25形成的冷却器结构例如通过焊接或以其他适当的方式而紧凑地形成。结构单元Ia的优点同样在于对模块16或在该模块处的部件6的两侧的并因而非常强且有效的冷却。在图6和7所示的实施形式中，扁平的冷却器20-22在俯视图中构造为矩形的。接头23和24以及由所述接头、间距保持器25和冷却器20-22中的开口形成的通道分别处于矩形的冷却器20-22或冷却器结构的窄边处。在图7中也用15表示的电连接部在俯视图中的矩形冷却器结构的一个或两个长边上向外引导。冷却器2、3以及20-22优选由金属材料、例如铜或铜合金或铝或铝合金组成，并特别是在其由冷却介质流动通过的内部冷却器结构方面以不同的方式构造。因此，冷却器例如包括多个彼此表面连接的由金属材料构成的板，其中内部的板结构化成微观或宏观冷却通道或冷却通道，而且必要时还具有连接各自的冷却器的顶侧和底侧并由冷却介质环流的支柱，所述支柱具有附加的伸入到冷却介质流中的翼形的冷却表面等。图8示出扁平的板形的主动冷却器27的非常示意性的图示，该主动冷却器例如可代替冷却器2和3或20-22使用，并在使用由金属材料制成的扁平型材的情况下可以特别经济地制造。冷却器27主要包括正方形或矩形的由扁平型材形成的板28，在该板中构造多个从一个周边侧延伸到相对置的周边侧、已设置在扁型材中并可由冷却介质流动通过的冷却通道29。两个纵向开缝的管件30和31用于供应和排出冷却介质，板28以其具有冷却通道29的开口的各侧面伸入所述管件中，并且板28在这些侧面与管件密封地连接，从而冷却介质可经由管件30或该管件的内部空间流入冷却通道29，并可经由管件31或该管件的内部空间从冷却通道29中排出。在一种冷却器结构中，两个冷却器27以其板28彼此间隔开且彼此平行地设置，以容纳位于板28之间的至少一个模块16并在两侧冷却模块16，为了形成这种冷却器结构，至少两个冷却器27的管件在一端封闭，在另一端分别与共同的通道连接，以供应或排出冷却介质。图9-11示出电结构单元Ib的在这些图中总体上用32表示的冷却器结构的简化图，它(冷却器结构)也包括多个扁平的板状的冷却器33，所述冷却器彼此平行且彼此间隔开地设置，而且用于容纳和在两侧冷却在每两个冷却器33之间的相应至少一个模块16。 板形的在俯视图中例如为矩形的冷却器33在最简单的情况下也是金属板，例如由铜、铜合金、铝或铝合金构成的板，优选由扁平型材制造，该扁平型材在内部形成多个通道。因而这些通道形成在每个冷却器33中从一个板边缘延伸到相对置的板边缘并在这些板边缘上敞开的冷却通道34。在冷却通道34在其上敞开的板边缘上，冷却器33分别通过矩形缝隙伸入管件35或36中，并这里密封地与管件连接，从而实现管件35和36与冷 却器33之间的向外密封的连接，以供应或排出冷却介质。两个管件35和36以其轴线彼此平行且彼此间隔开以及垂直于冷却器33的顶侧和底侧的平面设置。电结构单元Ib具有至少两个冷却器33，优选多于两个冷却器33，以及具有装入在每两个冷却器33之间的模块16，为了制造所述结构单元首先制造由冷却器33和管件35和 36形成的冷却器结构32，接着这样再加工，使得彼此对置的冷却器33之间的间距精确地对应于模块16的厚度，即精确地对应于外部的金属化部8和11的外侧的表面的间距。对冷却器结构32的再加工例如通过沿管件的轴线方向相应地镦锻管件35和36而实现。因而为此，在冷却器33之间置入块规，即由适当的材料、例如金属构成的成型件，其厚度精确地对应于模块16的厚度，并且其因而在镦锻管件35和36期间确定冷却器33之间的间距。接着将块规取出，从而模块16可装配到各个冷却器33之间。上述内容基于这样的事实，扁平的板形冷却器33的冷却通道结构由多个冷却通道34形成。当然也可以采用其他冷却通道结构。特别是冷却器33也可以多层地由多个彼此面式连接的金属层或金属覆层制成，其中内部的金属层或金属覆层此时为了构造多次分支的内部的冷却器结构而是结构化(具有表面凸凹结构)或设有开口。存在这样的可能性模块16分别单个装配到彼此相邻的两个冷却器33之间的中间空间中，或者冷却器16彼此连接成梳状的模块单元16a，该模块单元此时侧向套装或安置到由冷却器33和管件35和36形成的冷却器结构32上。梳状的模块单元16a包括多个模块16。彼此间隔开的各模块16在其一个纵向侧/长边上彼此连接。在另一个纵向侧上， 在模块16之间形成的中间空间敞开，从而模块单元16a可以以该纵向侧在前安置到在管件 35和36之间梯级形延伸的冷却器33上，由此可以特别简单的方式实现在冷却器单元32上装配多个模块16。梳状的模块单元16a例如在其外部造型上构造成正方形的块体，该块体在一侧设有多个在该侧以及在两个彼此对置的端侧敞开的槽16. 1，各所述槽彼此平行且彼此间隔开地以及在所示实施形式中还平行于块体的周边侧延伸。模块16相应地位于每个槽16. 1的两侧。在块体的闭合的侧面的区域中，电连接结构例如在块体的内部延伸。特别是为了应用于汽车制造并且在此专门应用在通常由铝或铝合金制造的发动机体(Motorblock)的附近或应用在发动机体上，冷却器2、3、27、33和冷却器结构以及其其他元件由铝或铝合金制造，具体而言用于避免由于不同金属的组合而引起的腐蚀。图12和13示出冷却的电结构单元40作为本发明的另一个实施例，其具有电气或电子模块41和扁平的板形冷却器42。所述冷却器包括由扁平型材形成的、扁平的且在所示实施形式中基本上为正方形的冷却板43，该冷却板带有多个冷却通道44，这些冷却通道也从一个板边缘延伸到相对置的板边缘，在这些板边缘上敞开，并由已存在于扁平型材中的通道形成。两个管件45和46用于供应和排出冷却介质，在这两个管件之间设置冷却板 43，并且这两个管件以其轴线彼此平行且彼此间隔开地设置。两个管件45和46这样固定在冷却板43上，使得冷却通道44分别密封地通入在管件45和46中构成的通道。在所示实施形式中，管件45用于供应冷却介质，管件46用于排出冷却介质。各冷却通道44与冷却板43的表面侧平行地间隔设置，但附加地也可以沿板厚度的方向彼此错开。当然，冷却板43也可以具有其他构型。
在冷却板43的顶侧上设置电气或电子模块41。所述模块主要包括金属陶瓷基板 47，所述金属陶瓷基板具有陶瓷层48和在陶瓷层48的两个表面侧上的金属化部49和50。 位于顶侧的金属化部49是结构化的，以形成导体线路、接触面等。位于底侧的金属化部50 构造为连续的。在金属化部49上设置电部件，例如半导体部件51，也可以设置至少一个功率部件。
利用金属化部50，电模块41与冷却板43机械地且特别是也热地连接。为此，冷却板43在所示实施形式中在其顶侧设有焊接中间层52，然后通过焊接或经由焊料层53将具有金属化部50的金属陶瓷基板47固定在该焊接中间层上。原则上还存在如下可能性 用导热粘接剂将金属陶瓷基板47或电模块41固定在冷却板43上，此时省去了焊接中间层 52并设置由导热粘接剂构成的层代替焊料层53。特别是为了应用于汽车制造且在此专门应用在通常由铝或铝合金制造的发动机体附近或应用在该发动机体上，冷却器42且在此特别是冷却板43由铝或铝合金制造，特别是用于避免由于不同金属的组合而引起腐蚀。电模块41的陶瓷层48的陶瓷例如为A1203、A1N、Si3N4或Al203+Zr02。原则上在此也可使用上述陶瓷的组合。陶瓷层48的厚度例如在0.15至2. Omm的范围内。金属化部 49例如由铜或铜合金组成，并具有在约0. 012-0. 8mm的范围内的厚度。金属化部50例如由 Ag、Ag-Pd, Ag-Pt组成，并具有在0. 01-0. 09mm之间的范围内的厚度。焊接中间层52如果存在的话由Ni、Cu、NiP组成，并例如电镀和/或通过冷气喷涂和/或通过等离子体喷涂和 /或通过火焰喷涂施设。焊接中间层例如仅仅施设到金属陶瓷基板47应通过焊接固定的位置。原则上还存在如下可能性焊接中间层52设置在冷却器42或冷却板43的整个顶侧上。如果电模块41与冷却板43之间的连接使用导热粘接剂实现，则合理的是，至少在应实现连接的位置，在冷却板43的顶侧设置例如由Al2O3构成的粘接剂交换层，所述粘接剂交换层具有范围约在0.01至0. Imm之间的厚度并例如通过阴离子氧化形成。焊料层53例如具有范围在0.02-0. 5mm之间的厚度。例如Sn合金或由Ag(在 200-400°C和压力下烧结)构成的层适于作为焊料。对于焊接中间层优选具有7-12ppm的热膨胀系数的金属材料，例如CuW或CuMo。图14示出冷却器54的简化透视分解图，所述冷却器包括扁平的盆状的下部或具有底部56和周边边缘57的冷却器元件55，并包括安置在冷却器元件55的敞开的侧面上的盖58。在所示实施形式中，冷却器54及其冷却器元件55以及盖58在俯视图中构造为矩形的。在底部56的内表面上一体成形有突起59，这些突起在所示实施形式中具有菱形横截面，并按彼此对准间隙地错开的多个行平行于冷却器元件55的较长的周边侧面设置。突起 59彼此间隔开，因而在该突起之间形成用于流动通过冷却器54的冷却介质的流动通路，并以其菱形的较大对角线平行于分别冷却器元件55的较长周边侧面定向，所述突起59冷却器结构60并在冷却器元件55的两个窄边的区域中与相关的窄边间隔开地终止。因此，在每个窄边与冷却器结构60之间，在闭合冷却器54的内部空间中分别形成一个腔61或62， 其中例如腔61用于将冷却介质供应和分配到冷却器结构60，腔62用于在流动通过冷却器结构60之后收集冷却介质。两个腔61和62可通过在所示实施形式中设置在盖58中的连接部或开口 63连接到外部冷却介质循环装置。在闭合的冷却器54中突起59分别一直延伸到盖58的内侧，并在这里优选与盖连接。冷却器54或其冷却器元件55和/或盖56例如由金属材料制造，例如铜、铜合金、 铝或铝合金，其中特别是冷却器元件55例如通过浇铸和/或铣削制造。原则上还存在如下可能性特别是冷却器元件55使用DCB技术由铜制造，具体而言由形成底部56的板、形成边缘57的框架以及形成突起59的成型体制成。还存在如下可能性冷却器54且在此特别是其冷却器元件55由塑料(例如环氧树脂)且在此优选由具有至少一个改善导热性能的添加剂、例如石墨和/或碳纳米纤维或碳纳米管的塑料制造。根据用于冷却器54的材料，例如通过DCB技术通过焊料或通过粘接实现盖54与冷却器元件55的连接。在冷却器54上且在此优选在冷却器元件55的远离开口 63的底侧上还固定至少一个电模块、例如电模块41，而且是以与先前参照图12和13所述的方式相同的方式固定。冷却器54在彼此对置的侧面上分别形成一个冷却面。还存在这样的可能性冷却器54在一电结构单元中设置为多个，其中在冷却器之间分别成堆叠地设置电部件或带有冷却器54的模块单元或模块。图15示出电子的结构单元Ic的类似于图1的图示，该电结构单元主要具有两个外部的冷却器2和3、分别经由中间层13和14与冷却器2和3连接的对应于金属陶瓷基板 4和5对应的两个金属陶瓷基板4a和5a、以及电部件6。结构单元Ic与结构单元1的不同之处主要在于，为了形成电连接部，至少陶瓷层7或10至少利用位于内部的金属化部9或 12从模块单元16b侧向引出。这些电连接部在此具体例如对应于连接部15a-15d构成。图16示出模块单元16c，其中与金属陶瓷基板4和5对应的基板4b和5b的陶瓷层在边缘区域分别设有向外突出于所述边缘区域的部段4bl和5bl，而且设置成使得部段 4bl相对于部段5bl错开，使得在图16的俯视图中两个部段都可见。相应地，还构成设置在陶瓷层上的金属化部。所述金属化部在部段4bl和5bl上形成外部连接部，而且还例如以与连接部15a-15d对应的结构构成。图17示出扁平冷却器64的简化剖视图，该冷却器包括两个盆状的冷却器元件55， 所述冷却器元件以其开口侧彼此邻接并彼此密封地连接。在冷却器64的由两个盆状的冷却器元件55形成的向外闭合的内部空间中这样设置突起59，使得在一个冷却器元件55上的每个突起59都连接到在另一冷却器元件55上的一个突起59上。优选地，突起59在此分别以适当的方式还热地彼此连接，例如通过使用导热粘接剂、通过焊接或其他适当的方式。冷却器64在彼此对置的侧面上分别形成一个冷却面。还存在如下可能性冷却器 64在一个电结构单元中设置为多个，其中此时在冷却器64之间分别成堆叠地设置电部件或带有冷却器64的模块单元或模块。如果电部件或单元经由一个连接层或多个连接层、例如经由焊料层与各自的冷却器或其冷却元件连接、例如与冷却器2、3、20-22、33、54或64连接，则适宜的是，冷却器的连接到连接层或焊料层的壁的壁厚度构造得非常薄，具体而言薄到使得由于特别是冷却器的温度变化而引起的机械应力通过冷却器的薄壁的弹性并因而也在冷却器内部得到补偿，因此不会传递到连接层或焊料层。本发明的实施例基于如下认知由温度引起或通过温度波动产生的机械应力可通过冷却器的例如由金属组成的薄壁显著改善地并且可以在不损害材料质量和/或材料稳定性的情况下被吸收和补偿，这种损害会发生在由于温度变化引起的机械应力而较早地损坏的邻接的连接层或焊料层中。通过该实施例，电结构单元的使用寿命可显著改善。冷却器的与连接层和/或中间层邻接的壁的厚度在此在冷却器由金属， 列如铜或铝构成时优选处于0. 2mm和1. 5mm之间的范围内。
0157] 前面根据实施例对本发明进行了说明。可以理解，在不背离本发明的基本发明构思的情况下，可以作出其他变化以及变型。
0158]附图标记列表
0159]UlaUbUc
0160]2、3
0161]4、5
0162]4a、5a、4b、5b
0163]4bl、5bl
0164]6
0165]7
0166]8、9
0167]10
0168]11,12
0169]13、14
0170]15、15a_15d
0171]16
0172]16a
0173]16b、16c
0174]16. 1
0175]17
0176]18
0177]19
0178]19. 1
0179]20、21、22
0180]23、24
0181]25
0182]26
0183]27
0184]28
0185]29
0186]30、31
0187]32
0188]33
0189]34
0190]35、36
电结构单元冷却器
金属陶瓷基板金属陶瓷基板突起
电部件、半导体部件陶瓷层金属化部陶瓷层金属化部中间层外部电连接部模块或模块单元梳状模块单元模块或模块单元槽
金属表面镀通孔
预定断裂部位缝隙冷却器
用于冷却介质的连接部间距保持器密封环冷却器
板形冷却元件冷却通道管件
冷却器单元冷却器或冷却元件冷却通道管件
40电通用单元
41电模块
42冷却器
43冷却板
44冷却通道
45、46管件
47金属陶瓷基板
48陶瓷层
49、50金属化部
51电部件
52焊接中间层
53焊料层
54冷却器
55盆状的下部或冷却器元件
56底部
57边缘
58至 ΓΤΠ
59突起
60冷却器结构
61,62腔
63开口
64冷却器
权利要求
1.电结构单元，具有至少一个冷却器结构并具有至少一个电模块(16，16a，16b，16c)， 所述模块具有在金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)上的至少一个电部件(6)，所述至少一个模块(16，16a，16b，16c)具有至少两个金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b， 5b)，所述金属陶瓷基板分别包括至少一个陶瓷层(7，10)，所述陶瓷层在至少一个表面侧设有至少部分结构化的第一金属化部(9，12)，所述两个金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)以其远离所述第一金属化部(9，12)的侧面分别与主动冷却器(2，3，20-22，33)至少热连接，所述至少一个电部件(6)设置在两个金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)之间，并与至少一个金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)的第一金属化部(9，12)电连接，并与两个金属陶瓷基板的第一金属化部(9，12)热连接，并且一个金属陶瓷基板(4)的第一金属化部(9)形成外部的电连接部(15，15a-15d)， 其特征在于，为了形成所述外部的电连接部(15a，15b，15c)，至少一个金属陶瓷基板(4)的陶瓷层 (7)以结构化的第一金属化部(9)引出到所述模块(16)的和/或所述电结构单元的外表面或外部轮廓之外。
2.电结构单元，具有至少一个梯级形的冷却器结构，所述冷却器结构具有至少三个扁平的主动冷却器(20，21，22，27，33)，所述主动冷却器彼此平行且彼此间隔开设置地在用于供应和排出冷却介质的管件(35，36)之间延伸，其中在每两个冷却器(20，21，21，22，27，33)之间分别设置具有至少一个电部件(6)的至少一个模块(16，16a，16b，16c)，所述模块与两个彼此相邻的冷却器(20-22)在所述模块的彼此对置的两个侧面上至少热连接， 其特征在于，每个模块(16，16a，16b，16c)具有至少两个金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)，所述金属陶瓷基板分别包括至少一个陶瓷层(7，10)，所述陶瓷层在至少一个表面侧设有至少部分结构化的第一金属化部(9，12)，并且以其远离所述第一金属化部的侧面分别与所述冷却器 (2，3，20-22，33)之一至少热连接，所述至少一个电部件(6)设置在各自的模块(16，16a，16b，16c)的两个金属陶瓷基板 (4, 5,4a, 5a, 4b, 5b)之间，并与至少一个金属陶瓷基板(4, 5,4a, 5a, 4b, 5b)的第一金属化部(9，12)电连接，并与两个金属陶瓷基板的第一金属化部(9，12)热连接，并且至少两个模块(16)连接成梳状的能套装到冷却器结构(32)的冷却器(33)上的模块单元(16a)。
3.电结构单元，具有至少一个冷却器结构并具有至少一个电模块(16，16a，16b，16c)， 所述电模块具有在金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)上的至少一个电部件(6)，其特征在于，所述至少一个模块(16，16a，16b，16c)具有至少两个金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b， 5b)，所述金属陶瓷基板分别包括至少一个陶瓷层(7，10)，所述陶瓷层在至少一个表面侧设有至少部分结构化的第一金属化部(9，12)，所述两个金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)以其远离所述第一金属化部(9，12)的侧面分别与主动冷却器(2，3，20-22，33)至少热连接， 并且所述至少一个电部件(6)设置在两个金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)之间，并与至少一个金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)的第一金属化部(9，12)电连接，且与两个金属陶瓷基板的第一金属化部(9，12)热连接。
4.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，所述金属陶瓷基板(4， 5,4a, 5a, 4b, 5b)的陶瓷层(7，10)在远离所述第一金属化部(9，12)的表面侧设有第二金属化部(8，11)，并利用所述第二金属化部例如经由导热的中间层(13，14)与各自的冷却器 (2，3，20，21，22，33)至少热连接。
5.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，一个金属陶瓷基板(4) 的第一金属化部(9)设有外部的电连接部(15，15a-15d)，所述电连接部突出于所述模块 (16)的外表面。
6.按照权利要求5所述的电结构单元，其特征在于，所述电连接部(15)为与所述第一金属化部连接的引线，所述引线例如由引线框构成。
7.按照权利要求5或6所述的电结构单元，其特征在于，为了形成电连接部，至少一个金属陶瓷基板⑷的陶瓷层(7)至少以结构化的第一金属化部(9)引出到模块(16)的和/ 或电结构单元的外表面或外部轮廓之外，并且在所述电连接部(15a，15b，15c)的区域中在陶瓷层(7)的远离所述第一金属化部(9)的侧面上设置金属表面(17)，该金属表面经由金属的镀通孔(18)与第一金属化部电和机械地连接。
8.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，所述陶瓷层(7)在连接部(15b，15c，15d)的区域中设有预定断裂部位(19)或连贯的缝隙(19. 1)。
9.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，在将所述至少一个模块 (16,16a, 16b, 16c)构造成功率模块时，至少所有外部的电功率连接部(15，15a_15d)设置在唯一的金属陶瓷基板⑷上和/或突出于电结构单元或模块(16)的相同的侧面。
10.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，所述冷却器结构具有至少三个冷却器(20，21，22，27，33)，所述冷却器彼此平行且彼此间隔开地设置，并且在每两个冷却器(20，21，21，22，27，33)之间分别设置至少一个模块(16，16a，16b，16c)，所述模块与彼此相邻的两个冷却器(20-22)在模块的彼此对置的两个侧面至少热连接。
11.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，所述冷却器(20，21， 22)经由间距保持器(25)彼此连接，并且至少设置在几个间距保持器(25)中的开口与冷却器(20，21，22)中的开口相互补充成用于供应和排出冷却介质的通道。
12.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，形成冷却器结构的冷却器(2，3，20，21，22)多层地由彼此连接的板的多个表面组成。
13.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，冷却器(27，33)至少部分地由具有多个冷却通道(29，34)的扁平型材构成的板(28)形成。
14.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，冷却器结构(32)具有至少两个例如由管件(35，36)形成的腔和至少两个在这些腔之间延伸的扁平冷却器(33)， 所述扁平冷却器的冷却通道(34)与所述腔连接，并且所述腔以其纵向延伸垂直或横向于所述扁平冷却器(33)的表面侧设置。
15.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，至少两个模块(16)梳状地连接成能套装到冷却器结构(32)的冷却器(33)上的梳状的模块单元(16)。
16.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，所述冷却器(2，3，20， 21，22，27，33)为扁平的板形冷却器。
17.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，所述冷却器(2，3，20， 21，22，27，33)为具有微观或宏观冷却通道的冷却器，特别是具有与沿多个空间轴多次分支的冷却通道、必要时具有支柱并具有向冷却通道中传递热的表面或翼部的冷却器。
18.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，冷却器结构的各冷却器 (2，3，20，21，22，27，33)构造为相同的。
19.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，金属陶瓷基板(4a，5a) 特别是为了形成电连接部(15a-15d)而在相同的侧面或不同的侧面从模块单元(16b)引出ο
20.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，至少一个模块(16c)的金属陶瓷基板(4b，5b)在模块的至少一侧设有伸出于该侧的部段(4bl，5bl)，并且金属陶瓷基板(4a，5a)的所述部段还沿平行于金属陶瓷基板的表面侧的轴向方向彼此错开。
21.电结构单元，包括至少一个模块，所述模块在金属陶瓷基板(47)上具有电部件 (51)；以及至少一个冷却器(42)，所述冷却器与电模块(41)或与金属陶瓷基板(47)至少热连接并具有可由冷却介质、例如由液态冷却介质例如水流动通过的冷却通道(44)，其特征在于，所述至少一个冷却器(42)通过由金属材料或塑料构成的扁平型材形成，所述扁平型材具有多个沿型材纵向方向延伸且用作冷却通道的通道。
22.按照权利要求21所述的电结构单元，其特征在于，至少一个冷却器(2，3，20，21， 22,27,33)或扁平型材由金属材料、例如铜、铜合金、铝、铝合金制成，和/或由塑料、例如具有改善导热性的如石墨和/或碳纳米纤维材料形式的添加剂的塑料制成。
23.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，所述冷却通道(29，34， 44)在两端分别通入例如由管件(30，31，35，36)形成的腔中。
24.电结构单元，包括至少一个模块，所述模块在金属陶瓷基板(47)上具有电部件 (51)；以及至少一个冷却器(42)，所述冷却器与电模块(41)或与金属陶瓷基板(47)至少热连接并具有可由冷却介质、例如由液态冷却介质例如水流动通过的冷却通道(44)，其特征在于，所述至少一个冷却器(54，64)由盆状的冷却器元件(55)和盖部(58)形成，所述冷却器元件形成可由冷却介质流动通过的冷却器内部空间，所述盖部在与底部(56)相对置的侧面密封地封闭所述冷却器元件。
25.按照权利要求24所述的电结构单元，其特征在于，所述冷却器元件(55)和所述盖部(58)由铝、铝合金或塑料制成，所述塑料优选具有改善导热性能的填充物。
26.按照权利要求24或25所述的电结构单元，其特征在于，所述盖部同样构造为盆状的，优选构造为与盆状的冷却器元件(55)相同的，或者构造为扁平的盖(58)。
27.按照权利要求24至26任一项所述的电结构单元，其特征在于，所述盖部和所述冷却器元件(55)通过粘接、优选在使用导热粘接剂的情况下彼此连接。
28.按照权利要求24至27任一项所述的电结构单元，其特征在于，至少所述冷却器元件(55)制造为成型件和/或通过去除材料的加工制造。
29.按照权利要求24至28任一项所述的电结构单元，其特征在于，所述至少一个模块 (41)固定在底部(56)的外侧上。
30.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，电模块(16，16a，16b， 16c, 41)或其金属陶瓷基板(4,5,47)经由至少一个中间层(13，14，52，53)与各自的冷却器(2,3,27,33,42,54,64)连接。
31.按照权利要求30所述的电结构单元，其特征在于，中间层(13，14)由金属、例如焊料，由导热粘接剂或导热膏形成。
32.按照权利要求30或31所述的电结构单元，其特征在于，中间层为焊接中间层以及焊料层。
33.按照权利要求30至31任一项所述的电结构单元，其特征在于，中间层为粘接中间层和由导热粘接剂构成的层。
34.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，陶瓷层为由A1203、 A1203+&02、A1N 和 / 或 Si3N4 构成。
35.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，各个陶瓷金属基板(4， 5，47)使用AMB、DCB和/或DAB技术制造。
36.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，金属陶瓷基板(4，5， 47)的陶瓷层(7，10，48)具有在0. 15 2. Omm的范围内的厚度。
37.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，至少一个金属化部(8， 9，11，12,49,50)由铜、铜合金、铝、铝合金组成，和/或具有0. 012 0. 8mm的范围内的厚度。
38.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，至少一个金属化部单层或多层地由Ag、Ag-Pd、Ag-Pt、W/Ni、Mo-Mn/Ni组成，和/或具有0. 01 0. 9mm的厚度。
39.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，焊接中间层由Ni、Cu和 /或NiP组成，和/或通过冷喷涂、等离子体喷涂和/或火焰喷涂施设。
40.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，粘接中间层由Al2O3形成，和/或具有0.01 0. Imm的厚度。
41.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，焊料层由Sn合金、Pb合金、Bi合金、In合金和/或由Ag组成，和/或具有0. 02 0. 5mm的厚度。
42.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，焊接中间层由具有7 12ppm的膨胀系数的金属材料组成，例如由CuW和/或CuMo组成。
43.按照前述权利要求任一项所述的电结构单元，其特征在于，对于经由至少一个中间层结合到冷却器(2，3，27，33，42，54，64)上的金属陶瓷基板(4，5，4a，5a，4b，5b)，与中间层相邻的冷却器壁的厚度选择得这样小，使得由温度引起的机械应力通过冷却器壁的弹性补偿，并且所述机械应力保持远离或保持至少基本上远离所述至少一个中间层，其中冷却器壁的厚度例如在0. 2mm至1.5mm之间的范围内。
全文摘要
本发明涉及一种电结构单元，具有至少一个冷却器结构并具有至少一个电模块，所述电模块具有在金属陶瓷基板上的至少一个电部件。
文档编号H01L23/373GK102449758SQ201080022845
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月20日 优先权日2009年5月27日
发明者A·迈耶, J·舒尔策-哈德 申请人:库拉米克电子学有限公司