用于将电力电子组件与散热体连接的粘合剂以及由其制成的组件的制作方法

为了紧密的电/热连接的目的，将具有大面积的金属导体轨道结构的印刷电路板(在此称为电力电子组件)安装在所谓的dcb(directcopperbonds，覆铜陶瓷基板)上。这些覆铜陶瓷基板包括例如陶瓷基底，该陶瓷基底在两侧或者在某些情况下也在单侧设有金属化层，例如设有铜和/或铝，或设有合金。因为电力电子组件通常切换高电流和/或高功率，所以通过电损耗而产生了大量的废热。该废热必须被排出，因为否则电力电子组件不再能够有效运行，或者在最坏的情况下被破坏。

为了防止电力电子组件的损坏和/或破坏，将高负载电路安装在散热体上，所述散热体例如为由铝、铜、其合金和/或相应其它导热合金制成的金属块。这些散热体本身被主动冷却，例如通过流过的冷却水而被主动冷却。为了实现电力电子组件的尽可能高效的冷却，首先要求将陶瓷基底尽可能好地热耦合在散热体上。这可通过这样的材料来实现，该材料既提供高的导热性又提供低的对接触面的热传递阻力。

特别有利的导热连接材料是金属层，这些金属层以糊状形式施加并且例如在烧结工艺中、在明显低于金属熔点的温度下焙烧成致密的、几乎无孔的结构。备选地，可使用焊料。

然而，如果使用超过特定最大尺寸的散热体，则不再能够采用这种技术。其原因在于，两个接合配对物(即陶瓷基底和冷却元件)在诸如250℃或更高的所需工艺温度下都应是稳定的，由此可形成连接。对于大型散热器，这在一方面意味着非常长的预热时间。同时，在完成接合之后，电力电子组件却在相对长的时间内保持在高的接合温度，特别是因为散热体充当了蓄热器。

一般而言，上述烧结过程是在施加压力于两个接合配对物上(所谓加压烧结)的情况下进行的，以降低工艺温度和工艺时间。因为散热体通常还具有复杂的几何结构，就像例如散热片那样，所以只有以更高的耗费才能够将压力施加在批量生产中付诸实施。

目前，首先通过焊接或烧结工艺将dcb施加到安装板上。安装板例如由导热金属或导热金属合金制成，例如由铝制成。加工很简单，因为安装板是平的并且具有低的质量。为了与散热体连接，将导热膏施加在安装板的底侧和/或散热体的顶侧上，然后将装配好的安装板(即例如dcb-铝板)与散热体螺纹连接。导热膏具有优于空气的导热性。

还已知基于环氧聚合物的结合导热颗粒的高填充度的粘合剂，所述粘合剂能够实现将带有电力电子组件的dcb直接安装到散热体上，而在此不必依赖安装板。通常在约100℃的温度下固化的已知粘合剂的热导率(导热系数)为约1w/mk。金属化层如铜和/或铝金属化层的热导率却要高300至400倍。因此清楚的是，该粘合剂虽然在制造技术上可降低耗费，但却在排热链条中形成大的热阻并因此仅能够受限地使用。

因此，本发明的目的是提供如下的粘合剂，该粘合剂克服了现有技术的缺点，特别地在排热链条中形成较低的热阻。

该目的通过在说明书、权利要求和附图中公开的本发明的主题来实现。

本发明的一般认识是，在固化时与导热填料和/或一个或两个接合配对物形成共价键合的粘合剂克服了现有技术的缺点。本发明的另一个认识是粘合剂的高交联度导致更好的热连接并因此导致更低的热阻。

本发明的主题是用于将带有电力电子组件、至少在单侧金属化的陶瓷基底与散热体、优选金属散热体连接的粘合剂，其中陶瓷基底支承(搁置)在散热体上，并且所述粘合剂这样设置，使得该粘合剂与任选包含的导热填料、与陶瓷基底的待连接的表面和/或与散热体的金属表面形成至少部分的共价键合。

本发明的另一主题是由散热体和陶瓷基底制成的组件(复合件)，其中该组件可通过使用开头所述类型的粘合剂进行粘合来制造。

根据本发明的一个有利的实施方式，未交联的粘合剂来自杂化有机金属氧化物、尤其是杂化有机过渡金属氧化物的化合物类别，以及来自水玻璃的化合物类别，即无定形的水溶性硅酸钠、硅酸钾和/或硅酸锂，其通过硅化(在硅酸盐或硅酸盐类的金属氧化物的情况下的一种特殊形式的交联)形成不溶于水的复合材料(复合物)。

杂化有机金属氧化物包括例如有机的、即含碳的化合物，所述化合物包括铝、锆、钛和/或硅阳离子和适于交联的反应性官能团，例如仲丁氧基铝(仲丁醇铝)。

在即用型粘合剂中，根据一种实施方式，在金属中心原子上存在至少一种有机化合物，其具有至少一个以络合形式键合并带一价或多价负电荷的有机基团(残基)，所述有机基团携带一个或多个反应性有机官能团，所述反应性有机官能团选自下列适于交联的反应性基团或取代基：卤素(取代)基团，即氟、氯、溴、碘基团；拟卤素基团，氨基，酰胺基，醛基，酮基，羧基，巯基，羟基，丙烯酰氧基，甲基丙烯酰氧基，环氧基，异氰酸酯基，乙烯基，-酯基和-醚基。

这些带负电荷的有机基团以络合形式与金属中心、例如铝、钛和/或锆阳离子和/或硅原子键合。在硅的情况下，粘合剂则相应地属于硅-杂化复合物(silicium-hybrid-verbunde)的化合物类别。

这些化合物例如可通过使有机氟基团、氯基团、溴基团、碘基团、氨基、酰胺基、醛基、酮基、羧基、巯基、羟基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰氧基、环氧基、异氰酸酯基、乙烯基、酯基、醚基、磺酸基、磷酸基和/或携带有这些或其它吸电子取代基的有机化合物与氢氧化铝、氢氧化锆、氢氧化钛和/或氢氧化硅反应获得。在缩合的情况下，则发生多价阳离子与电负性官能团的交联，同时形成氧-金属键合和/或卤素-金属键合，所述键合由于在氧和/或卤素上的有机基团(即含碳的基团)而呈共价性，而不是主要呈离子性。

在加热和/或加入酸时，在粘合剂内通过与金属阳离子主要形成共价键合而发生交联。该键合还对应于粘合剂与填料颗粒的待连接的表面、陶瓷基底的待连接的表面和散热体的金属表面的连接。

粘合剂的适于交联的反应性基团相应地选自上述官能团：卤素基团，即氟、氯、溴、碘基团；拟卤素基团，氨基，酰胺基，醛基，酮基，羧基，巯基，羟基，丙烯酰氧基，甲基丙烯酰氧基，环氧基，氰酸酯基，异氰酸酯基，乙烯基，-酯基，-醚基，磺酸基，磷酸基。

金属中心原子例如选自下列元素：硅、锆、铝、硼、钛。

根据一种实施方式，粘合剂基于所谓的水玻璃，即具有诸如-si-o-si-,-al-o-al-,-si-o-al-,-si-o-zr-,-zr-o-zr-,-ti-o-zr-,-si-o-ti-,-al-o-ti-,-ti-o-ti-,-zr-o-zr-,-al-o-ti-和/或-al-o-zr-键合的结构元素的硅酸盐类和/或水玻璃类的化合物，以及基于包括这些结构元素或其化学性质由这些结构元素表征的化合物的任意共聚物、共混物和/或混合物。

在根据本发明的一种有利实施方式中，粘合剂中存在添加剂和/或填料，尤其是导热填料。这些填料可以多峰形式存在。

为了提高粘合剂的总热导率，这些填料可以20体积％至70体积％的填充度存在，特别地以30体积％至60体积％的填充度存在，更优选地以35体积％至55体积％的填充度存在。

例如，使用这样的填料作为导热填料，所述填料选自：导热性良好的金属，如铝、铜和铁；陶瓷和玻璃，如二氧化硅、刚玉(al2o3)、钛酸盐(tio2)；以及相当的导热碳化物和氮化物，例如氮化硼。

这些填料以任意颗粒形状使用，例如以片形和/或球形使用。填料可以关于材料、尺寸和/或形态而呈多峰地、以两个或更多个级分使用。

粒度优选处于10nm至20μm的范围内，即包括纳米颗粒和微米颗粒的整个范围。

特别地，使用粒度在100nm至15μm、特别优选地500nm至10μm的范围内的至少一个级分。

已经表明，由于根据本发明的粘合剂的高反应性，即能够出色地与金属和陶瓷的接合配对物形成共价键合的能力，根据本发明的粘合剂能够在组件中实现相对低的热传递阻力并因此必要时在相应的高填充度下实现高的热导率。

根据本发明，例如，可以实现这样的粘合剂，所述粘合剂在组件中表现出4w/mk和更高的热导率。

通过根据本发明的粘合剂，能够消除现有技术中的某些缺点，例如放弃安装板和/或需要定期更新的导热膏。在此可行的是，根据应用情形，安装板或附加导热膏的使用实际上还是可推荐的，但是根据本发明这不再像现有技术那样强制要求。

作为用于说明本发明的实施例，进行使用硅酮(硅氧烷(silikon))的硅晶片粘合。

为此目的，例如通过旋涂或浸渍涂覆，分别用相应材料涂覆尺寸为1×1cm的两件si晶片，然后立即借助适当的间隔物彼此粘合。在热固化之后，在单层测量中确定组件(复合件)的热导率，并将其与硅酮粘合的情况进行比较。在两种情况下，粘合剂的厚度均为25μm，总组件(复合件)的厚度均为0.6mm。

结果：

在25-150℃的温度范围内，具有示例性粘合剂的组件显示出8.5-7.5w/m·k的热导率。与之相比，使用常规使用的硅酮的粘合组件在相当的粘合层厚度或总组件层厚度下具有2.5-2.4w/m·k的热导率。

附图显示了进行比较的粘合剂的图示，一方面是根据现有技术的常规的硅-硅酮-组件，另一方面是根据本发明使用硅-杂化复合物(硅-杂化物-组件)的一种实施方式的组件。与硅-硅酮-组件相比，硅-杂化物-组件具有为8.6w/mk的显著提高的热导率，所述硅-硅酮-组件几乎与温度无关地显示出2.5w/mk的热导率。

制备粘合剂的实施例：

将0.05摩尔的仲丁氧基铝溶解在乙酰乙酸乙酯中。平行地，将0.012mol氨丙基-三甲氧基硅烷搅拌入0.15mol缩水甘油氧基丙基-三甲氧基硅烷中。然后添加溶液1并再搅拌60分钟。随后，在进一步冷却的同时缓慢滴加hcl。将所得溶液在搅拌(2小时)下冷却直至第二天并且可用作粘合剂。

所得粘合剂的固化：

在制造复合件后，粘合剂被闪蒸掉；然后进行热固化。

本发明涉及用于将陶瓷基底、特别地电力电子组件与散热体导热连接的粘合剂，以及一种使用所述粘合剂由陶瓷基底和散热体制成的复合件。通过使用杂化金属有机化合物和/或水玻璃作为粘合剂，实现了高交联度，和/或通过在粘合剂和接合配对物和/或填料颗粒之间形成共价键合，实现了热导率的明显提高，从而导热性粘合剂层表现出相对于现有技术显著降低的热阻，并因此排热链条承受比通过常规的接合和/或连接(粘合)方法普遍实现的情况更小的负荷。