专利名称：用于接纳至少一个元件的衬底及制造衬底的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的衬底。本发明还涉及一种制造衬底的方法。
背景技术：
根据现有技术，用于接纳电元件或电子元件的衬底是普遍公知的。这样的衬底一般由电绝缘材料制成的板组成，该板至少在前侧和/或相对置的背侧上设有导电层。所述 板例如可以由电绝缘的塑料或陶瓷制成。特别是为了制造配有功率半导体的模块，根据现 有技术例如使用直接敷铜(DCB)衬底。在此，使用由氧化铝或氮化铝制成的板作为电绝缘 体。由此，导体线路在高温熔融和扩散工艺中由纯铜来安设。这样的DCB衬底以很高的热 导率和温度耐受能力而见长。然而，DCB衬底的制造是复杂且昂贵的。由于制造时很高的温度，不是总能避免这 种衬底发生弯曲。这种弯曲可能在其它加工链中导致DCB衬底的断裂。
发明内容
本发明的任务在于，消除现有技术的缺点。特别是应当提供了一种简单且成本低 制造的具有高热导率λ的衬底。本发明还应当提供一种制造这样的衬底的方法。本发明的任务通过权利要求1和13的特征来解决。本发明适当的构造方案通过 权利要求2至12和权利要求14至28的特征而获得的。根据本发明的措施设置为，在衬底主体与导电层之间设置有电绝缘连接层，所述 电绝缘连接层具有由陶瓷前驱体聚合物形成的热固性基质。所提出的连接层具有出色的热 导率λ。该连接层还以很高的温度耐受性而见长。所述连接层承受得住高达300°C的运行 温度。由于所述连接层电绝缘的特性，因此可以使用任何一种材料、尤其是导电材料作为衬 底主体。这在总体上实现了特别简单且成本低地制造出具有出色热导率λ的衬底。“陶瓷前驱体聚合物”这一概念被理解为如下聚合物，所述聚合物例如随着温度的 升高，首先过渡为凝胶态，并随后过渡为热固性状态。在热固性状态下，陶瓷前驱体聚合物 一般具有高达300°C的温度耐受能力。在温度继续升高的情况下，可以由陶瓷前驱体聚合物 生成陶瓷材料。属于陶瓷前驱体聚合物的例如有聚硅烷、聚碳硅烷和聚有机硅氧烷。根据本发明有利的构造方案设置为，利用填料以高达80体积％的填充度对陶瓷 前驱体聚合物进行填充。由此，尤其可以进一步提高在使用陶瓷前驱体聚合物的情况下制 造的连接层的热导率入。所述填料适当地是由陶瓷材料形成的、具有处于0. 5至200 μ m范围内的平均颗粒 尺寸的粉末。所述陶瓷材料是电绝缘的并且实质上是惰性的。所提出的陶瓷材料的添加不 会导致与陶瓷前驱体聚合物发生不希望的化学反应。所提出的平均颗粒的尺寸实现了利用 分配器、喷射器、压印技术、网屏(Sieb)或模版(Schablone)来对连接层进行涂覆。在室温下，陶瓷材料的热导率λ适当地大于10W/mK，优选大于20W/mK。由此，根据填充度实现的是，将以陶瓷材料填充的陶瓷前驱体聚合物的热导率提高到2W/mK的数值 之上。因此，所提出的衬底主体特别适用于制造在运行中散发相对大的热量的功率半导体。陶瓷材料适当地选自如下的组出15比、3込队、411滑石、堇青石。所提出的陶瓷材料以高热导率λ而见长。此外，该陶瓷材料是电绝缘的。此外，已证实适当的是，所述陶瓷前驱体聚合物选自如下的组聚硅氧烷、聚硅氮 烷、聚碳硅烷。导电层适当地由金属或由半导体制成，所述金属优选为铝或铜。在此，导电层可以 首先基本上整面地覆盖衬底主体的前侧和/或背侧。随后可以利用传统的技术，例如掩蔽 和随后的蚀刻来制造期望的导体线路结构。而同样可以是，导电层以预定的导体线路结构 存在，并随后借助连接层将该导电层层压到衬底主体上。根据本发明有利的构造方案，衬底主体由陶瓷、塑料或塑料复合材料 (Kunststoffverbundmaterial)制成。只要前面提出的材料具有电绝缘的特性，就以简单的 方法制造出镀通孔。根据本发明有利的构造方案，衬底主体由热导率λ至少为150W/mK的材料制成， 所述材料优选为陶瓷或金属。衬底主体还尤其可以是由铝合金或铜合金制成的冷却体。这 样的衬底的热导率λ是很出众的。根据本发明的另一构造方案设置为，所述连接层以在侧向上超出由导电层限定 的覆盖区域的方式延伸。只要导电层特别地以导体线路结构的形式存在，那么连接层便 以宽度预定的条带的形式在各个导体线路的左边和右边延伸。由此，反作用于漏泄电流 (Kriechstrom)的形成。根据本发明的另一措施，设置有如下方法，用于制造用来接纳至少一个元件的衬 底，所述元件特别是功率半导体，在所述方法中，导电层在应用陶瓷前驱体聚合物的情况 下，与衬底主体相结合，并随后所述陶瓷前驱体聚合物转变为热固性状态，使得形成了将所 述层与衬底主体相结合的连接层。所提出的方法能够相对简单而成本低地实施。该方法尤 其不一定需要提供以复杂的烧结工艺制造的衬底主体。在应用所提出的连接层的情况下， 能够以简单的方式将导电层与任意衬底主体相结合。特别是在应用由金属制成的衬底主体 时，根据本发明的方法制造的衬底以出色的热导率λ以及很高的成型保真度(Formtreue) 而见长。“层”这一概念既被理解为是优选呈平板式构造的衬底主体的前侧和/或背侧的整 面的涂层，又被理解为仅是区段式的涂层。在涂层呈区段式构造的情况下，所述层能够以预 定的导体线路结构的形式构成。陶瓷前驱体聚合物的涂覆可以适当地借助丝网印刷在应用刮板、针式分配器或喷 射器喷嘴的情况下进行。在室温下，陶瓷前驱体聚合物以6至9个月的适用期(Tropfzeit) 而见长。因此，连接层的涂覆利用常规技术就可轻易实现。根据本发明另一有利的构造方案，所述导电层在与衬底主体结合之前以预定的导 体线路结构的形式存在。所述的导体线路结构可以利用冲压(Stanzen)来制造。当然同样 可行的是，使用另外的方法来制造导体线路结构，例如激光切割、喷水切割等。连接层适当 地以在侧向上超出由导电层所限定的覆盖区域的方式涂覆到衬底主体上。也就是说，连接 层适当地在导体线路的左边和右边预定宽度的区域中延伸。由此，反作用于漏泄电流的形成。为此目的，同样可行的是，以陶瓷前驱体聚合物覆盖导电层。根据该方法的一个变动方案，同样可行的是，首先借助连接层将基本上整面的导 电层施加到衬底主体的前侧和/或背侧上。然后，可以借助对所述层的掩蔽和随后的蚀刻 来制造出预定的导体线路结构。所述陶瓷前驱体聚合物为了转变为热固性的形式而适当地加热到处于100至 300°C范围内的温度，优选为150至250°C，保温时间为15至300分钟，优选为30至60分 钟。当然同样可行的是，实现所述陶瓷前驱体聚合物以其它方式进行交联。例如可以通过 添加适当的化学物质、利用辐射等来实现，所述辐射优选为紫外线(UV)辐射。由于是所述方法的另外的有利的构造方案，所以对针对衬底所介绍的有利的构造方案特征进行参引。在此意义上，所述有利的构造方案特征可以形成所述方法的构造方案。
下面，结合附图详细地阐述本发明的实施例。其中图1示出带有接纳于其上的元件的第一衬底的示意剖面图；以及图2示出带有接纳于其上的元件的第二衬底的示意剖面图。
具体实施例方式在图1中，在衬底主体1上设有连接层2。所述连接层2将导电层3与衬底主体1 连接起来。所述导电层3与元件4相连接，所述导电层3可以是导体线路结构。所述元件4 可以是半导体元件，尤其是功率半导体。所述元件4例如借助常规的钎焊连接而与导电层 3连接。连接层2是电绝缘的，优选地由聚硅氧烷制成，利用填料对聚硅氧烷进行填充直 至60体积％至80体积％的填充度。所述填料适当地是具有处于2至10 μ m范围内的平均 颗粒尺寸的SiC。这样的连接层2具有大于20W/mK的出色的热导率λ。衬底主体1由金属制成，所述金属优选为铜合金或铝合金。所述衬底主体1可以 按照冷却体的类型来制造，并且例如可以具有冷却肋(在这里未示出)。所述连接层2由于其高热导率λ而实现了将元件4在运行中所产生的热量迅速 导出至衬底主体1上并从那里进入环境中。包含衬底主体1、连接层2和导电层3的衬底也 以出色的热导率而见长。此外，所述衬底被简单且成本低地制造。图2示出带有接纳于其上的元件4的第二衬底的示意剖面图。这里，所述衬底主 体1在其前侧和背侧上设有第一连接层2a和第二连接层2b。在朝向元件4的前侧，所述第 一连接层2a将第一导电层3a与衬底主体1连接起来。在背离元件4的背侧，所述第二导 电层3b嵌入所述第二连接层2b中。镀通孔用参考标记5来标示，镀通孔5将第一导电层 3a与第二导电层3b连接起来。在这里，所述衬底主体1由电绝缘材料制成，例如，由氧化铝、电绝缘塑料等制成。 图2中所示的组件例如可以借助设置在背侧的第二连接层2b与由金属制成的冷却体(未 示出)相连接。类似于图1中所示的实施例地，所述连接层2a、2b也由以热固性形式存在 的陶瓷前驱体聚合物制成，所述陶瓷前驱体聚合物用填料进行填充。参考标记列表
1衬底主体2.2a.2b 连接层3、3a、3b 导电层4 元件 5镀通孔。
权利要求
用于接纳至少一个元件(4)的衬底，所述元件(4)特别是指功率半导体，在所述衬底中，衬底主体(1)在至少一个前侧和/或相对置的背侧上设有导电层(3、3a、3b)，其特征在于，在所述衬底主体(1)与所述导电层(3、3a、3b)之间设有电绝缘连接层(2、2a、2b)，所述电绝缘连接层(2、2a、2b)具有由陶瓷前驱体聚合物形成的热固性基质。
2.根据权利要求1所述的衬底，其中，利用填料以高达80体积％的填充度对所述陶瓷 前驱体聚合物进行填充。
3.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述填料是由陶瓷材料形成的、具有处于 0. 5 μ m至500 μ m范围内的平均颗粒尺寸的粉末。
4.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，在室温下，所述陶瓷材料的热导率λ大 于10W/mK，优选大于20W/mK。
5.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述陶瓷材料选自以下的组BN、SiC、 Si3N4、AlN、滑石、堇青石。
6.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述陶瓷前驱体聚合物选自如下的组 聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚碳硅烷。
7.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述导电层(3、3a、3b)由金属或者由半 导体制成，所述金属优选为铝或铜。
8.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述导电层(3、3a、3b)以预定的导体线 路结构的形式存在。
9.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述衬底主体(1)由陶瓷、塑料或者塑料 复合材料制成。
10.根据权利要求1至8之一所述的衬底，其中，所述衬底主体(1)由热导率λ为至少 150ff/mK的材料制成，优选地由陶瓷或金属制成。
11.根据权利要求10所述的衬底，其中，所述衬底主体(1)是由铝合金或者铜合金制成 的冷却体。
12.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述连接层(2、2a、2b)以在侧向上超出 由所述导电层(3、3a、3b)限定的覆盖区域的方式延伸。
13.用于制造衬底的方法，所述衬底用于接纳至少一个元件(4)，所述元件(4)特别是 指功率半导体，在所述方法中，导电层(3、3a、3b)在应用陶瓷前驱体聚合物的情况下，与衬 底主体(1)相连接，并且随后所述陶瓷前驱体聚合物转变为热固性的形式，从而构成了将 所述层(3、3a、3b)与所述衬底主体(1)相连接的连接层(2、2a、2b)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述陶瓷前驱体聚合物的涂覆借助丝网印刷， 在应用模版、针式分配器或喷射器喷嘴的情况下进行。
15.根据权利要求13或14之一所述的方法，其中，所述导电层(3、3a、3b)在与所述衬 底主体(1)相连接之前以预定的导体线路结构的形式存在。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述导体线路结构借助冲压来制造。
17.根据权利要求13至16之一所述的方法，其中，所述连接层(2、2a、2b)以在侧向上 超出由所述导电层(3、3a、3b)限定的覆盖区域的方式涂覆到所述衬底主体(1)上。
18.根据权利要求13或14之一所述的方法，其中，预定的导体线路结构借助对所述层(3、3a、3b)的掩蔽及随后的蚀刻来制造。
19.根据权利要求13至18之一所述的方法，其中，所述陶瓷前驱体聚合物为了转变为 热固性的形式而被加热到处于100°C至300°C范围内的温度，优选为150°C至250°C，保温时 间为15分钟至300分钟，优选为30分钟至60分钟。
20.根据权利要求13至19之一所述的方法，其中，利用填料以高达80体积％的填充度 对所述陶瓷前驱体聚合物进行填充。
21.根据权利要求13至20之一所述的方法，其中，所述填料为由陶瓷材料形成的、具有 处于0. 5 μ m至500 μ m范围内的平均颗粒尺寸的粉末。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，在室温下，所述陶瓷材料的热导率λ大于 10W/mK，优选大于 20W/mK。
23.根据权利要求21或22之一所述的方法，其中，所述陶瓷材料选自如下的组BN、 SiC、Si3N4、AlN、滑石、堇青石。
24.根据权利要求13至23之一所述的方法，其中，所述陶瓷前驱体聚合物选自如下的 组聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚碳硅烷。
25.根据权利要求13至24之一所述的方法，其中，所述导电层(3、3a、3b)由金属或者 由半导体制成，所述金属优选为铝或铜。
26.根据权利要求13至25之一所述的方法，其中，所述衬底主体(1)由陶瓷、塑料或者 塑料复合材料制成。
27.根据权利要求13至25之一所述的方法，其中，所述衬底主体(1)由热导率λ为至 少150W/mK的材料制成，优选地由陶瓷或金属制成。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，将由铝合金或者铜合金制成的冷却体用作衬 底主体(1)。
全文摘要
本发明涉及一种用于接纳至少一个元件的衬底及制造衬底的方法，所述元件(4)特别是指功率半导体，在衬底中，衬底主体(1)至少在前侧和/或相对置的背侧上设有导电层(3、3a、3b)。为了改善电导层(3、3a、3b)的导热性而根据本发明提出在衬底主体(1)与导电层(3、3a、3b)之间设有电绝缘连接层(2、2a、2b)，电绝缘连接层(2、2a、2b)具有由陶瓷前驱体聚合物形成的热固性基质。在制造衬底的方法中，导电层(3、3a、3b)在应用陶瓷前驱体聚合物的情况下，与衬底主体(1)相连接，并且随后陶瓷前驱体聚合物转变为热固性的形式，从而构成了将层(3、3a、3b)与衬底主体(1)相连接的连接层(2、2a、2b)。
文档编号H01L21/48GK101807557SQ20101011665
公开日2010年8月18日 申请日期2010年2月9日 优先权日2009年2月16日
发明者乌尔里希·赫尔曼, 克里斯蒂安·约布尔, 托比亚斯·非, 海科·布拉姆尔 申请人:赛米控电子股份有限公司