专利名称：电子器件模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种电子器件模块，其具有至少一个多层的电路支承体和 带有冷却体的冷却装置。此外，本发明还涉及一种用于制造这种电子器件
模块的方法。
背景技术：
已公开了带有多个多层电路支承体的电子器件模块。这些电子器件模
块例如通过LTCC (低温共烧陶瓷)来制成，LTCC是一种用于由多个单 个层制造陶瓷电路支承体的高效率的技术。为此，用于通过冲裁进行电穿 通接触的、未烧结的陶瓷生片设置有开口，其中开口被填充以导电膏，并 且这些膜在其表面上以丝网印刷方法设置有平坦的线路结构。多个这种单 个的层最后可以彼此层压并且在较低的温度情况下烧结。该工艺提供了掩 埋的多层布局结构(Layout-Strukturen )，这些布局结构可以用于集成无 源的电路元件。此外，由此可以实现具有非常好的高频特性、气密地密封 并且具有良好的耐热性的布局结构。借助这些特性，LTCC技术适于应用 在不利的环境(例如适于传感器)中，适于应用在高频技术(例如移动无 线电和雷达领域)中，以及适于应用在功率电子设备(例如车辆电子设备、 传动控制装置和发动机控制装置)中。然而，在热的方面要求高的应用通 常由于材料的较差的导热能力而受到限制，其中材料典型地具有2W/mK 的导热能力。为了冷却有源半导体器件(作为表面安装部件，这些半导体 器件通常是这种LTCC模块的部分)，简单地将LTCC衬底安装在冷却体 上并不足够。特别地，将LTCC衬底焊接或者粘合到冷却体上，如在J. Schulz-Harder等人所著的"Micro channel water cooled power modules", l至6页，PCIM 2000 Nuernberg中所描述的那样，并不足够。
LTCC陶瓷在标准工艺中与银金属化物兼容。因此，针对LTCC衬 底的一个常见解决方案是集成热通孔。通孔是垂直的穿通接触部，它们被 以^^艮的导电膏填充，并且主要用于散热。通过这种方式，可以实现20 W/mK的平均导热能力。与含4艮的膜结合，能够在垂直或者水平方向上实现卯W/m K和150 W/m K的值。这由M. A. Zampino等人所著的 "LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger", Proc.Internat.Symp.onMicroelectronics2003, Internat. Microelectronics and Packaging Society (IMAPS), 18. — 20.11.2003， Boston, USA公开。
另一解决方案是，将具有高损耗热的半导体IC(集成电路)，例如功 率放大器，在LTCC电路板的凹进部分中直接安^4散热器上。
此外，公开了如下解决方案这些解决方案基于流体填充的通道的集 成。在此，冷却通过具有高热容的流体(例如水)的对流来进行，如在上 面提及的、才艮据J. Schulz-Harder等人所著的"Micro channel water cooled power modules"的现有技术中以及此外在M. A. Zampino等人所著的 "Embedded heat pipes with MCM-C Technology", Proc. NEPCON West 1998 Conference Vol. 2, Reed Exhibition: Norwalk, CT USA 1998， 777 一 785页,第2巻，(Conf. Anaheim, USA, 1. _ 5.03.1998 )中所描述的那样。
构造于其上的解决方案为了热传递并未利用冷却流体的热容，而是利 用了相变的潜热。这在上面提及的根据M. A. Zampino等人所著的"LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger"的现有技术 中以及在 W. K. Jones 等人所著的"Thermal management in low temperature cofire ceramic (LTCC) using high density thermal vias and micro heat pipes/spreaders", Proc. Internat. Symp. on Microelectronics 2002, Internat. Microelectronics and Packaging Society (IMAPS)， 10.— 13.03.2002， Reno, USA中所描述的那样。在那里所阐述的"热管(heat pipe)"根据现有技术例如用于冷却紧凑型计算机例如膝上电脑的处理器。
除了这些适于LTCC的方法，所谓的直接铜接合(Direct Copper Bond)工艺适于高度烧结的氧化铝陶瓷并且得到广泛应用，以便将烧结 的氧化铝构成的电路支承体在大约1100。C的情况下直接与铜构成的冷却 膜连接。这在J. Schulz-Harder等人所著的"Micro channel water cooled power modules"和J. Schulz-Harder等人所著的"DBC substrate with integrated flat heat pipe", EMPC 2005， The 15th European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition, 12.-15.06.2005， Bruegge, Belgien中进行了描述。
发明内容
本发明的任务是，实现一种电子器件模块和一种用于制造这种电子器 件模块的方法，其中高导热能力的衬底可以筒单地和省事地与多层的电路 支^^体稳定连接，并且可以改进散热。
该任务通过具有根据权利要求1的特征的电子器件模块和具有根据
权利要求12的特征的方法来解决。
根据本发明的电子器件模块包括至少一个多层的陶瓷电路支承体和 带有至少一个冷却体的冷却装置。在陶瓷电路支承体和冷却装置之间至少 局部地i殳置有至少一个复合层，所述复合层被构建为用于在主要工艺中与 陶瓷电路支承体的反应性连接，特别是用于LTCC反应性连接，并且用 于与冷却装置的连接。通过该复合层以及特别是其构型，可以实现器件模 块的部件之间的稳定连接。此外，可以省事地产生复合层，因为该复合层 反应性地与陶资电路支承体连接。电路支承体与该复合层的连接由此特别 是可以在将陶瓷电路支承体与冷却装置连接到 一起的实际过程中自动生 成。复合层通过其在主要工艺期间的材料构建可以反应性地与电路支承体 稳定连接。主要工艺理解为如下的工艺该工艺主要为了在器件模块的部 件之间建立其他连接而实施。特别地，该复合结构可以在LTCC工艺中 自动地反应性地产生。在此，不必再执行独立的后继的方法步骤，如通过 非反应性连接(如在焊接或者粘合中)的情况那样。由此，反应性连接理 解为产生双重作用的所有工艺，一方面是通过该工艺的主要作用而另一方 面是复合层与电路支承体的连接。在一个优选的LTCC工艺中，双重作 用在于， 一方面可以连接电路支承体的单个层，并且附加地根据本发明可 以构建复合层和电路支承体之间的反应性连接。
特别地，当电路支承体构建为LTCC电路支承体时，复合层构建为 适合LTCC的反应性涂层。在该扩展方案中，于是在实际的LTCC工艺 中也可以实现的是，陶瓷电路支承体自动地与复合层以机械方式稳定连 接。此外，也保证了与冷却装置的机械方式的稳定连接。
由此，可以在通常的工艺条件下以用于将电路支承体施加到冷却装置 上的LTCC工艺进行反应性连接。
优选的是，复合层整面地构建在电路支承体和冷却装置之间。这能够 实现特别有效的固定以及此外也能够实现最优的散热。
优选的是，冷却装置4皮构建为用于横向的散热，并且冷却体至少在一侧横向地伸出电路支承体的范围。通过该横向的冷却方案，可以构建更紧凑的电子器件模块，该器件模块能够实现改进的散热。
特别优选的是，电路支承体构建为陶瓷的LTCC电路支承体，并且复合层被构建为用于在LTCC工艺期间与电路支承体反应性地产生复合结构以构建陶瓷电路支承体，或者可以产生这种复合结构。通过这种扩展方案可以实现的是，实际上可以在LTCC方法期间自动地生成，其中在该LTCC方法中单个层被彼此叠置地层压并且在相应的温度下烧结。由此相对于现有技术的重要优点是，不必以LTCC工艺后继的其他制造方法例如通过硬焊来产生连接，而是该连接可以与电路支承体的单个层的关联的制造基本上同时地或者至少有时交叠地进行。
复合层优选至少构建为单层的、无器件的并且无电导线的LTCC膜。在该扩展方案中，复合层由此作为中间膜而被提供。特别地，于是可以设计的是，在烧结工艺中在特别是关于气体气氛和温度分布曲线方面合适的条件下借助特别是单个的中间膜来安装复合层。特别地，在此设计为将该中间膜施加到冷却装置上。
复合层也可以至少部分地由玻璃构建。
同样可以设计的是，复合层至少部分地由纳米晶体材料构建，特别是纳米晶体的氧化铝构建。同样可以设计的是，复合层至少部分地由陶瓷材料、特别是由氧化硅和/或氮化硅构建。
复合层可以至少部分地由反应性金属构建，特别是由钬构建。
证明为特别优选的是，电路支承体和复合层之间的复合结构通过在840。C到930。C之间的温度下、特别是在大约卯0。C下的烧结工艺来构建。在这些工艺条件下，也可以保证陶瓷电路支承体的最优构建以及特别是单个层之间的复合结构。同时，于是在这些优化的工艺条件下，也可以实现复合层和电路支承体之间的反应性的复合结构。
在根据本发明的用于制造电子器件才莫块的方法中，将至少一个陶瓷的多层电路支承体与包括至少一个冷却体的至少一个冷却装置连接。在陶瓷电路支承体和冷却装置之间至少局部构建有用于连接部件的复合层。复合层在电路支承体的单个层的连接工艺期间反应性地与电路支承体相连。通过该制造方法，可以实现明显改进的复合结构，该复合结构在制造技术上可以明显更省事地实现。
证明为特别优选的是，电路支承体构建为陶瓷的LTCC电路支承体，并且复合层在LTCC工艺期间与电路支承体连接。由此可以在较低的温度下实现冷却体-陶瓷复合结构，其中优选的是，冷却装置在之前的工艺步骤中设置有适合LTCC的反应性复合层以构建电子器件模块。随后，LTCC多层以及由此LTCC电路支承体在相应的工艺条件下被施加到所准备的表面上，特别是被烧结到其上。
在有利的方式中，作为复合层，至少一个单层的、无器件的并且无线路(没有电导线)的并且也电绝缘的LTCC膜被构建为梯度膜(Gradientenfolie)形式的中间膜。在此优选地设计的是，中间膜在烧结工艺中在合适的条件下被施加。在此可以设计的是，这在具有氩添加物的氮气气氛下进行。通过这种方式，可以实现的是，可以进行工艺#的匹配，例如用于实现最优的金属-陶瓷复合结构，而不考虑电路支承体的单个层的连接的标准条件以及特别是不考虑LTCC技术的标准M。 LTCC
确定。特别地，在此气体气氛的特征在于氧气或者空气。
多层电路支承体的功能LTCC膜被层压到中间膜上，其中这些LTCC膜具有电子器件和集成的线路结构。为了避免功能层的xy收缩，优选的是附加地将氧化铝(A1203)构成的消耗膜(Opferfolie)层压到电路支承体的上侧上，并且随后以所谓的零收缩(Zero-Shrinkage)方法被烧结。
此外，可以设计的是，复合层至少部分地由玻璃构建，特别是通过丝网印刷来施加并且随后进行热处理。该扩展方案也能够在电路支承体的单个层的连接工艺期间实现最优复合结构。
也可以设计的是，施加至少部分由纳米晶体材料构成的复合层，特别是通过丝网印刷方法来施加。特别是纳米晶体的氧化铝可以设计作为纳米晶体材料。因为烧结温度随着颗粒大小减小而降低，所以纳米晶体材料开辟了一种LTCC兼容的工艺途径。
此外，复合层也可以至少部分地由陶瓷材料、特别是由氧化硅和/或氮化硅构建。在该扩展方案中可以设计的是，该陶瓷材料通过溅射方法来施加，特别是溅射到冷却装置上。通过物理的低温方法沉积的陶瓷层用作针对以后施加的LTCC陶资的粘附层。
此外，复合层也可以至少部分地通过具有反应性金属特别是钬的涂层来构建。这些反应性金属应视为针对金属接触的出色的增附剂。
复合层也可以至少部分地通过借助氧的反应离子束刻蚀来构建。通过
9离子轰击，进行金属表面的充分混合(Durchmischung),这导致分层次的金属-氧化物过渡部。通过事先的溅射，例如硅的賊射，例如形成了分层次的金属—金属氧化物—氧化硅过渡部作为带有LTCC陶瓷的复合结
优选的是，陶瓷电路支承体和复合层通it^ 840"C到930X之间的温度下、特别是在大约卯O"C的温度下进行烧结而彼此连接。
根据本发明，由此提出了用于将具有高导热能力的冷却体集成到LTCC中的工艺技术解决方案。冷却装置和冷却体可以针对所提出的制造工艺基本上具有任意形式。而有利的是作为均匀厚度的、横向延伸的成形体的构型。该成形体可以在面积上比多层的陶资电路支承体更小、更大或者与其相同。优选的是，可以为冷却装置的冷却体设置金属元件。特别地，冷却体可以由铜构建，铜具有大约400 W/m K的非常高的导热能力。而根据多层的电路支承体相对于冷却体的厚度比例，也可能是具有合适的热膨胀系数的其他金属。例如，也可以使用铜-钼复合金属，其导热能力在大约200 W/m K的范围中。为了平衡略有不同的膨胀系数，LTCC陶瓷可以以相同的厚度安置到冷却体的两个侧面。
当要制造一种电子器件模块，其具有至少两个多层的电路支承体和多个并且由此具有至少两个集成的冷却体时，根据本发明的方法证明是特别有利的。特别是在这种多层系统中，借助传统技术特别难以保证足够的复合结构。特别是借助根据本发明的方法，也可以较简单并且省事地产生这种多层的系统，并且特别是能够实现整体地构建多个冷却体。因为正是在这种复杂结构中，在电路支承体和复合层以及由此还有冷却体之间的复合结构可以自动地在这些电路支承体的单个层的层压和烧结期间被实现。由此，不必再以费事和成本高昂的方式在该制造陶瓷电路支承体之后进行各独立的安装(例如通过焊接或者粘合)。特别地，在集成的冷却体情况下可以借助根据本发明的方法实现制造中的显著简化。
此外，在根据本发明的电子器件模块中可以实现纯粹无源的散热，而没有运动的物质、相界或相变。此夕卜，显著提高导热能力是可能的。例如，在使用铜-钼-铜层压物的情况下，导热能力可以达到热通孔的大约10倍。在使用纯的铜衬底或者复合原料(例如基于黑金刚石-纳米纤维的复合原料)的情况下，可以实现导热能力进一步提高到400 W/m K以及更高。
除了高的导热能力，通过电功能陶瓷(陶瓷电路支承体)和高导热的原料构成的交替的层可以实现稳定的材料复合结构。特别是当冷却体被构建为具有横向上比电路支承体更大的大小时，也可以通过在伸出的冷却体的范围中的拧合来实现简单的安装。
通过完整的模块装配以及限定的至环境的接口 ，同样可以实现筒单的进一步处理。在复合层的陶瓷单个层的情况下，实现了在同时具有高的热耦合情况下的高的电绝缘。特别地，也可以实现电路支承体结构中、特别
是LTCC陶瓷中的掩埋的器件的有效散热。
附图
的简短说明
下面借助示意图进一步阐述了本发明的实施例。唯一的图示出了穿过根据一个实施例的根据本发明的电子器件模块的截面图。
电子器件模块1包括第一多层陶瓷LTCC电路支承体2和第二多层陶瓷LTCC电路支承体3。这两个电路支承体2和3设置在冷却体4的对置的侧上，该冷却体与冷却装置关联。在该实施例中，冷却体4由此整体地在电子器件模块1中设置在两个电路支承体2和3之间。冷却体4在横向方向(x方向)上在两侧伸出LTCC电路支承体2和3的范围。此外，在冷却体4中构建孔41和42，它们被设计为用于与其他部件或者壳体固定(特别是柠合)。
在上部的LTCC电路支承体2和冷却体4之间构建有第一复合层5,该复合层将该第一电路支承体2与冷却体4以机械方式稳定地连接，其中该冷却体在该实施例中由铜构成。相应地，在冷却体4和第二LTCC电路支承体3之间同样构建有复合层6。两个复合层5和6被构建为用于与陶瓷LTCC电路支承体2和3反应性地连接。这意味着，在LTCC工艺期间，为了连接电路支承体2和3的相应的单个层，也构建有在复合层5和第 一 电路支承体2之间的复合结构以及在第二复合层6和第二电路支承体3之间的复合结构。
在该实施例中，复合层5和6分别整面地构建在冷却体4与相应的电路支承体2和3之间。此夕卜，这些复合层5和6在横向方向上基本上延伸到冷却体4的整个表面。也可以设计的是，复合层5和6分别仅仅局部地构建。特别地，在如下部位构建有复合层5和6:在这些部位上，由于将电子器件设置在相应的电路支承体2和3中而出现了最大的发热。通过这种有目的地在局部构建复合层5和6，于是也可以实现尽可能最好的热转移。该热转移在所示的实施例中横向地进行。
在附图中示出的电子器件模块1如下制造首先将复合层5和6两侧 地施加到冷却体4上。根据这些复合层应当如何构建可以设计不同的扩展 方案。这些扩展方案在说明书的发明内容部分有所提及。原理上，也可以 设计为将那里提及的复合层的不同的实施形式任意组合。
在将这些复合层5和6施加到冷却体4上之后，随后以LTCC方法 产生多层的电路支承体2和3的构型。同时，在该方法中(其中在所述方 法中电路支承体2和3的单个层彼此叠置地层压并且随后在大约卯0n的 温度情况下被烧结)，复合结构也一方面在复合层5和电路支承体2之间 并且另 一方面在复合层6和第二电路支承体3之间反应性地构建。
根据本发明，借助通过LTCC工艺制造电路支承体2和3，也已完全 构建了完整的电子器件模块1并且特别是在复合层5和6以及电路支承体 2或3之间的复合结构。
权利要求
1.一种电子器件模块，其包括至少一个多层的陶瓷电路支承体(2，3)和带有至少一个冷却体(4)的至少一个冷却装置，其特征在于，在陶瓷电路支承体(2，3)和冷却装置(4)之间至少局部地设置有复合层(5，6)，该复合层被构建为用于在主要工艺期间与陶瓷电路支承体(2，3)反应性地连接，并且被构建为用于与冷却装置(4)连接。
2. 根据权利要求l所述的电子器件模块，其特征在于，复合层(5， 6)整面地构建在电路支承体(2， 3)和冷却装置(4) 之间。
3. 根据权利要求1或2所述的电子器件模块，其特征在于，冷却装置被构建为用于横向的散热，并且冷却体(4 )至少在一侧横 向地伸出电路支承体(2, 3)的范围。
4. 根据上述权利要求中的任一项所述的电子器件模块，其特征在于，主要工艺是用于将陶瓷电路支承体(2, 3 )的单个层进行连接的低温 共烧陶瓷工艺。
5. 根据上述权利要求中的任一项所述的电子器件模块，其特征在于，复合层(5， 6)至少构建为单层的、无器件的并且无线路的低温共烧 陶瓷膜。
6. 根据上述权利要求中的任一项所述的电子器件模块，其特征在于， 复合层(5, 6)至少部分地由玻璃构建。
7. 根据上述权利要求中的任一项所述的电子器件模块，其特征在于，复合层(5， 6)至少部分由纳米晶体材料构建，特别是由纳米晶体的 氧化铝构建。
8. 根据上述权利要求中的任一项所述的电子器件模块，其特征在于，复合层(5, 6)至少部分由陶瓷材料构建，特别是由氧化硅和/或氮 化硅构建。
9. 根据上述权利要求中的任一项所述的电子器件模块，其特征在于，复合层(5， 6)至少部分地由反应性金属构建，特别是由钬构建。
10. 根据上述权利要求中的任一项所述的电子器件模块，其特征在于，电路支承体(2， 3)和复合层(5， 6)之间的复合结构通过在840r 到930'C之间的温度下、特别是在大约900'C下的烧结工艺来构建。
11. 根据上述权利要求中的任一项所述的电子器件模块，其特征在 于，至少一个冷却装置(4) M地构建在两个多层的电路支承体(2， 3) 之间。
12. —种用于制造电子器件模块(1)的方法，其中至少一个陶瓷多 层电路支承体(2， 3)与带有至少一个冷却体(4)的冷却装置连接，其特征在于，在陶瓷电路支承体(2， 3)和冷却装置(4)之间至少局部构建有用 于将部件(2， 3， 4)连接的复合层(5, 6),其中复合层(5， 6)在主要 工艺期间、特别是在电路支承体(2， 3)的单个层的连接工艺期间反应性 地与电路支承体(2, 3)相连。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将电路支承体构建为陶瓷的低温共烧陶瓷电路支承体(2, 3)，并且 在作为主要工艺的低温共烧陶瓷工艺期间将复合层(5， 6)与电路支承体 (2, 3)连接。
14. 根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在构建多层的电路支承体(2, 3)之前在冷却装置(4)上构建复合 层(5， 6)。
15. 根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其特征在于，将至少 一个单层的、无器件的并且无线路的低温共烧陶瓷膜构建为复 合层(5， 6)。
16. 根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其特征在于，复合层(5， 6)至少部分由玻璃构建，特别是通过丝网印刷来施加并 且^L^进行热处理。
17. 根据权利要求12至16中的任一项所述的方法，其特征在于， 复合层(5， 6)至少部分地由纳米晶体材料来构建，并且特别是通过丝网印刷方法来施加。
18. 根据权利要求12至17中的任一项所述的方法，其特征在于，复合层(5， 6)至少部分地由陶瓷材料、特别是由氧化硅和/或氮化 珪构建，并且以低温方法来溅射。
19. 根据权利要求12至18中的任一项所述的方法，其特征在于， 复合层(5， 6)至少部分地通过具有反应性金属特别是钬的涂层来构建。
20. 根据权利要求12至19中的任一项所述的方法，其特征在于，复合层(5, 6)至少部分地通过借助氧对金属构建的冷却体(4)进 行^^应离子束刻蚀来产生。
21. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在离子束刻蚀之前 '减射硅。
22. 根据权利要求12至21中的任一项所述的方法，其特征在于，通过在840"c到93ox:之间的温度下、特别是在大约卯ox:的温度下进行烧结将电路支承体(2, 3)和复合层(5， 6)连接。
全文摘要
本发明涉及一种电子器件模块，其包括至少一个多层的陶瓷电路支承体(2，3)和带有至少一个冷却体(4)的至少一个冷却装置，其中在陶瓷电路支承体(2，3)和冷却装置(4)之间至少局部地设置有复合层(5，6)，该复合层被构建为用于在主要工艺中与陶瓷电路支承体(2，3)反应性地连接，并且被构建为用于与冷却装置(4)连接。本发明还涉及一种用于制造这种电子器件模块的方法。
文档编号H01L21/48GK101529573SQ200680056145
公开日2009年9月9日 申请日期2006年11月30日 优先权日2006年11月30日
发明者斯特芬·沃尔特, 理查德·马茨, 露特·门纳 申请人:奥斯兰姆有限公司