专利名称：复合部件以及用于制造复合部件的方法
复合部件以及用于制造复合部件的方法
现有技术本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的包括第一和至少一个第二接合对象的复合部件。第一接合对象优选是电子元件，尤其是功率半导体或尤其是被装配了的、最好被用功率半导体装配了的电路板，并且第二接合对象是散热器。此外，本发明涉及一种用于制造按照权利要求13的前序部分所述的复合部件的方法。现今应用于汽车的、具有高损耗功率的电路，如功率电路或在DBC衬底或AMB衬底上的B桥电路，H桥电路，利用导热粘合剂被连接到散热器上。电路的半导体的耗散热量通过电路板和形成接合点的导热粘合剂被引导到底座板或外壳，以便将热量从至少一个电子元器件中排出并且由此使该元器件合适地冷却。而底座板或外壳可以被动地或主动地尤其是通过流到的介质冷却。上述复合部件的缺陷是，由导热粘合剂形成的接合层在较短时间的脉冲负荷下就已经显示出明显的散热瓶颈。对此一个替代方案是将被装配了的电路板借助于钎焊材料连接到散热器(热沉)上，该钎焊材料具有比导热粘合剂更高的导热能力。但是在此处的缺陷是，由于复合部件在运行中的热机械负荷可能出现钎焊的分裂。其结果是， 由于寿命上的要求，利用钎焊材料的连接常常是没有意义的或者仅仅在很小的面积上可以经钎焊材料进行连接。发明的公开
因此本发明的目的在于提出一种复合部件，它的特征在于具有良好的耐温度变化性能和/或散热性能。此外目的在于提出一种用于制造耐温度变化的复合部件的方法。这个目的在复合部件方面通过权利要求1的特征解决而在方法方面通过权利要求13的特征解决。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。由在说明书、权利要求书和/或附图中公开的特征中的至少两个特征组成的全部组合落入本发明的范围内。为了避免重复，按照装置公开的特征应该认为也按照方法被公开和可以要求权利。同样按照方法公开的特征应该认为也按照装置被公开和可以要求权利。本发明基于的构思在于，两个接合对象不是象现有技术中那样用一个惟一的接合层相互连接起来，而是用至少两个，最好只用两个，接合层相互连接起来，在该接合层之间布置至少一个，最好只有一个，另外的层，即中间层。在此情况下，该接合层的目的是将各相应的接合对象牢固地与中间层连接，并且用于接合对象在中间层上的必要的电的和/或机械的和/或热的连接。优选这样地选择中间层，使得它的热膨胀系数很小，以便由此优化复合部件的耐温度变化性能。更特别优选地，中间层的膨胀特性至少近似地对应于至少其中一个接合对象的膨胀特性，最好是一个尤其是在它的电路侧上的半导体的膨胀特性，其中膨胀系数的差也是可以接受的，但是该差应该尽可能小。通过设置具有小的热膨胀系数的中间层，该膨胀系数最好类似于其中一个接合对象的热膨胀系数，使复合部件的耐温度变化性能提高。此外产生对热量脉冲的附加的支撑。更特别优选地，如后面还要详细说明的， 至少其中一个接合层，更特别优选地，两个接合层，是烧结层，尤其是具有金属的烧结颗粒的烧结层，以保证接合对象在最好是导电的和/或导热的中间层上的电的，热的和机械的连接。作为中间层，例如可以应用硅。本发明例如可以应用于电伺服转向机构的功率末级，应用于通用逆变器单元的功率末级，尤其是在混合动力机动车应用或电动机动车应用中，应用于DC/DC转换器中的功率电路，其尤其用于混合动力应用中、在调节器电子机构中，尤其是在起动器/发电机上； 应用于发电机铭牌上的压入式二极管，应用于高温稳定的半导体，如例如碳化硅，或也可以应用于在高温下工作并且需要靠近传感器的评价电子机构的传感器，以及应用在用于光电设备上的逆变器的模块中。另外的应用也是可能的。如开头已述，在本发明的改进方案中有利地规定，中间层的热膨胀系数至少近似地对应于第一和/或第二接合对象的热膨胀系数。更特别优选地，中间层的热膨胀系数对应于一个用作接合对象的电部件和/或电子部件，最好是半导体，更特别优选地是功率半导体，进一步优选地是在它的电路侧上的部件。更进一步优选地，中间层材料对应于该电部件和/或电子部件的该材料或某种材料。特别有利的是两个接合对象只经三层相互连接起来，即直接地接触第一接合对象的第一接合层，直接地接触第二接合对象的第二接合层和布置在接合层之间的中间层。尤其是当至少其中一个接合层，最好两个接合层，设计成烧结层时，优选使中间层在横向上被结构化，以便由此总是仅仅将限制的面连接到至少一个金属的烧结层上。由此可以将受温度变化限制的机械的应力减小到最小。针对中间层在横向上的结构化，可以附加地或备选地将第一和/或第二接合层在横向上结构化。更特别优选地，中间层和/或第一和/或第二接合层在已经被结构化下施加，更特别优选地在相互在横向上相间隔的表面区段中。进一步优选的是，第一和/或第二接合层和/或中间层这样地被结构化，使得在各相应的层的结构区段之间形成至少一个冷却槽道，最好是冷却槽道网，其合适并且用于通过该冷却槽道网可以引导冷却流体，尤其是冷却气体或冷却液体，以便以此方式从复合部件中附加地排出热量。在此情况下更特别优选的是冷却槽道或冷却槽道网在中间层内部在中间层的结构区段之间形成。换言之，至少其中一个连接层这样地被结构化，即形成空腔， 通过这些空腔可以引导冷却流体，以便从整个结构中排出热量。在最简单的情况下该流体可以是一种气体。采用冷却液体进行通流具有优点，即每单位时间能够吸收更多的热量数量。在本发明的改进方案中有利地规定，设置用于对冷却槽道和/或冷却槽道网施加流体的机构。此时在最简单的情况下可以涉及一种风扇装置，通过它将空气鼓吹和/或抽吸通过冷却槽道或冷却槽道网。在设置冷却液体的情况下，优选的是，用于加载冷却槽道和 /或冷却槽道网的机构包括至少一个泵。在接合层的构造上具有不同的可能性。如开头已述，特别优选的是，至少其中一个接合层，最好两个接合层，构造成烧结层，尤其是具有金属的烧结颗粒的烧结层，以便由此实现接合对象在中间层上的最佳的热连接和电连接。附加地或备选地，至少其中一个接合层可以构造成粘接剂层或焊料层，尤其是在使用无铅焊料下。也可以将中间层设计成通过合金制造的梯度层或通过焊接产生的层。更特别优选的是，至少其中一个层，即第一和/或第二接合层和/或中间层，被微型结构化和/或被纳米结构化，从而实现例如棱锥体结构， 槽道或类似结构，如其例如应用于太阳能电池中作为光阱(Lichtfallen)，以便扩大向冷却流体传热的面积。也可以将接合对象，最好是散热器，宏观(粗视)地结构化，以便改善导热性。特别有利的是一种实施形式，其中在第一和/或第二接合层和/或(这是优选的) 在中间层中安置至少一个传感器，更优选的是温度传感器。该温度传感器此时不是直接地在接合对象的，尤其是半导体的最热位置上测量温度，而是在其下面测量。这具有优点，即可以在电路板上实现位置的节省和/或可以取消附加的昂贵的半导体面。更特别优选的是，至少一个传感器，最好温度传感器，借助于贯穿接通(镀通孔)与接合对象，尤其是与电路板，导电连接。更特别优选的是复合部件的一种实施形式，其中第一接合对象是或者包括电子部件，尤其是半导体元器件，最好是功率半导体元器件。更特别优选地，它涉及被用至少一个电子部件装配了的电路板，它更优选地直接地经第一接合层与中间层连接。进一步优选的是，第二接合对象是散热器，尤其是底座板，冷却体或外壳，其中更优选的是，该第二接合对象直接经第二接合层与中间层连接，该中间层更特别优选地由硅制成。本发明还涉及一种制造复合部件，最好如前述的构造的复合部件的方法。该方法的特征在于，至少两个，最好仅两个接合对象经至少三个层，最好仅三个层，即第一和第二接合层以及布置在其之间的中间层被相互接合起来。如前面依据复合部件所述，在接合层的构造上具有不同的可能性。例如至少其中一个接合层可以设计成烧结层，粘接剂层或焊料层。而且就将这些层施加到至少其中一个接合对象上而言也具有不同的可能性。例如可以考虑一种实施形式，其中至少三个层，最好只有三个层被前后相继地涂覆到其中一个接合对象上，随后将另外的接合对象施加到该三个层上。也可以设想为每个接合对象配置一个接合层，随后在其中一个接合层上涂覆中间层。关于该方法的有利的实施形式和改进方案，参见前面对复合部件的说明，由该说明中可以推导出该方法的有利的实施例。本发明的其它的优点，特征和细节由下面对优选实施例的说明以及依据附图得
出ο附图中所示
图1:具有未被结构化的接合层以及未被结构化的中间层的复合部件的第一实施例， 图2:复合部件的一种替代实施例，其中中间层在横向上被结构化， 图3-图5:将第一和/或第二接合层和/或中间层结构化的不同的结构化形式和图6:复合部件的另一个替代实施例，其中在中间层中设置传感器，该传感器被穿过第一接合层地贯穿接通，也就是说，与第一接合对象导电连接。在附图中，相同的元件和具有相同的功能的元件用相同的标记表示。图1中示出了复合部件1的第一实施例。可以看见经一个层结构被以机械、热或电的方式相互连接起来的第一和第二接合对象2，3。第一接合对象2例如是被装配了至少一个功率半导体的电路板，第二接合对象3例如是散热器，尤其是底座板，冷却体，由底座板和冷却体构成的组合体和/或外壳。可以看见前述的层结构位于两个接合对象2，3之间。该层结构由第一接合层4，直接地接触第一接合层4的中间层5组成，该中间层又直接地接触第二接合层6，该第二接合层又将第二接合对象3直接地与中间层5连接。两个接合层4，6优选是相同构造的，但是依据应用目的，也可以是不同构造的。优选不仅第一而且第二接合层，4，6都是具有金属的烧结颗粒的烧结层。中间层5，它在所示的实施例中由硅制成，其特征在于，它的热膨胀系数对应于与电路板连接的、在电路侧面上的半导体的热膨胀系数。按照图2的复合部件1与前述的和在图1中示出的复合部件1的区别在于，中间层5在横向上这样地被结构化，使得在在横向上相间隔的结构区段7之间形成空腔8，这些空腔相互连接成网并且由此形成冷却槽道网9，通过它可以引导冷却流体，尤其是冷却气体或冷却液体。这些结构区段7选择得越小，绝对连接面积就越小并且耐温度变化性能就越好。图3至5非穷举地示出了使连接层结构的层之一的结构化的不同的可能性。优选位于中间的中间层5被这样结构化。可以看见，在按照图3所示的实施例中，结构区段7设计成正方形轮廓并且布置在规则的排和列中。在按照图4所示的实施例中，结构区段7是矩形轮廓的，即具有比宽边更大的长边延伸长度并且以砖墙图案的形式布置。在按照图5所示的实施例中，结构区段7是以六边形形式(蜂窝形)构造轮廓和布置的。图6示出了复合部件1的另一个替代的实施例，包括第一和第二接合对象2，3，它们经一个层结构相互连接起来，该层结构包括第一和第二接合层4，6以及以夹芯层的方式容纳在其之间的中间层5。如按照图2的实施例中那样，中间层5这样地被结构化，使得在在横向上相间隔的结构区段之间7形成冷却槽道网9，通过它可以引导冷却流体。按照图6 的实施例的特征在于，在中间层5中集成有设计成温度传感器的传感器10，它借助于贯穿接通(镀通孔)11与第一接合对象2导电连接。借助于传感器10可以测量尤其是监控第一接合对象2的温度。在需要时，设计成散热器的第二接合对象3可以被宏观地结构化(没有示出)，以便可以改善温度(热量)的传导。优选第二接合对象3为此包括冷却肋。
权利要求
1.复合部件，包括第一接合对象O)，包括至少一个第二接合对象C3)和包括第一，布置在第一接合对象( 和第二接合对象C3)之间的第一接合层G)，其特征在于，除了第一接合层以外，还在第一和第二接合对象(2，；3)之间设置至少一个第二接合层(6)，并且在第一和第二接合层(4，6)之间布置至少一个中间层(5)。
2.按照权利要求1所述的复合部件，其特征在于，中间层(5)的热膨胀系数至少近似地对应于第一和/或第二接合对象0，3)的热膨胀系数。
3.按照前述权利要求之一所述的复合部件，其特征在于，第一接合层(4)将第一接合对象( 直接地与中间层( 连接并且第二接合层(6)将第二接合对象( 直接地与中间层(5)连接。
4.按照前述权利要求之一所述的复合部件，其特征在于，第一和/或第二接合层(4， 6)和/或中间层(5)在横向上被结构化。
5.按照权利要求4所述的复合部件，其特征在于，在横向上在第一和/或第二接合层 (4,6)和/或中间层(5)的结构区段(7)之间形成用于引导冷却流体的冷却槽道和/或冷却槽道网(9)。
6.按照权利要求5所述的复合部件，其特征在于，设有用于向冷却槽道和/或冷却槽道网(9)施加流体，尤其是冷却气体或冷却液体，的机构。
7.按照前述权利要求之一所述的复合部件，其特征在于，第一和/或第二接合层(4， 6)是烧结层，粘接剂层，焊料层或弹性体密封材料。
8.按照前述权利要求之一所述的复合部件，其特征在于，第一和/或第二接合层(4， 6)和/或中间层(5)被微观结构化和/或被纳米结构化。
9.按照前述权利要求之一所述的复合部件，其特征在于，在第一和/或第二接合层 (4,6)中和/或在中间层(5)中设置至少一个执行元件，尤其是珀耳帖元件，或传感器 (10)，尤其是温度传感器和/或体积流传感器。
10.按照前述权利要求之一所述的复合部件，其特征在于，传感器(10)被穿过第一和 /或第二接合层(4，6)地贯穿接通。
11.按照前述权利要求之一所述的复合部件，其特征在于，第一接合对象(2)是电子部件，尤其是半导体元件，最好是功率半导体元件，和/或是尤其被装配了的电路板。
12.按照前述权利要求之一所述的复合部件，其特征在于，第二接合对象(3)是电路板或散热器，尤其是底座板，冷却体或外壳，或是另一个结构组，尤其是逻辑结构组。
13.用于制造最好按照前述权利要求之一所述的复合部件(1)的方法，其中一个第一接合对象( 与至少一个第二接合对象C3)经至少一个第一接合层(4)被接合起来，其特征在于，为了接合所述接合对象0，3)，附加地设置至少一个第二接合层(6)和至少一个布置在所述接合层(4,6)之间的中间层(5)。
全文摘要
本发明涉及一种复合部件(1)，包括第一接合对象(2)，包括至少一个第二接合对象(3)和包括第一，布置在第一接合对象(2)和第二接合对象(3)之间的第一接合层(4)。按照本发明规定，除了第一接合层(4)以外，还在第一和第二接合对象(2，3)之间设置至少一个第二接合层(6)，并且在第一和第二接合层(4，6)之间布置至少一个中间层(5)。
文档编号H01L23/373GK102301468SQ201080006007
公开日2011年12月28日 申请日期2010年1月25日 优先权日2009年1月30日
发明者京特 M., 希尔施 M. 申请人:罗伯特·博世有限公司