专利名称：冷却结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及冷却结构，借助所述冷却结构能够有效地将在一个或多个要冷却的部件中积聚的热排出并且由此可以对这些部件散热。这些部件例如是电子部件，譬如功率半导体模块的功率半导体芯片。在这种情况下，功率半导体芯片被布置在如下衬底上在功率半导体芯片中积聚的废热必须通过该衬底排出。
发明内容
本发明的任务在于提供一种衬底装置，在该衬底装置上可以布置功率半导体芯片，以及提供了一种衬底装置、一种功率半导体模块和一种功率半导体模块装置，所述衬底装置、所述功率半导体模块和所述功率半导体模块装置分别具有功率半导体芯片并且该功率半导体芯片通过冷却结构来冷却。在此，目的分别是冷却结构有效地起作用并且要简单且成本低廉地制造所述冷却结构。本发明的另一任务在于提供一种用于制造具有可简单且成本低廉地制造的有效的冷却结构的衬底装置的方法。这些任务通过根据权利要求1和16所述的衬底装置、通过根据权利要求17所述的功率半导体模块、通过根据权利要求18所述的功率半导体模块装置以及通过根据权利要求22所述的用于制造衬底装置的方法来解决。本发明的扩展方案和改进方案是从属权利要求的主题。根据本发明设置，将冷却结构直接接合到衬底的金属化部(Metallisierimg)上。 冷却结构例如可以通过一个或多个接合线区段(Bonddrahtabschnitt)来实现，所述一个或多个接合线区段分别在一个或多个部位被接合到金属化部上。在此，在相邻的接合部位之间环状地构造接合线，以便提高相对围绕冷却结构的冷却流体(例如冷却液或者冷却气体)的热交换面。作为本发明的意义上的接合线在此不仅设置有具有圆形横截面的接合线， 而且设置有带有任意横截面的接合线，尤其是也设置有在需要时也可以预弯曲的扁平的小带。在使用带有圆形横截面的接合线时，可以任意选择横截面，然而在线结构和线结构所接合到的金属化层之间的特别好的热耦合能利用厚的接合线来实现，该厚的接合线的直径大于或等于300 μ m,并且该厚的接合线的直径例如在300 μ m到600 μ m的范围中，因为在各个接合部位上利用厚的接合线在接合线和金属化部之间构造特别大的热接触面。借助接合器(例如通过超声接合)在金属化部和冷却结构之间建立连接。接合线在此直接接触该接合线所接合到的衬底金属化部，也就是说在此可以省去使用焊料、胶粘剂或者其它单独输送的连接装置(Verbindimgsmittel)。通过采用接合方法能由准连续材料 (quasi-Endlosmaterial)并且由此非常有效地制造冷却结构，使得冷却结构具有一个或多个连贯的接合线区段，这些接合线区段中的每个接合线区段在至少两个接合部位被接合到最下部的金属化层上。原则上，整个冷却结构也可以只具有恰好一个唯一的连贯的接合线区段。这具有如下优点接合线仅须一次剪切，更确切地说在建立最后的接合连接之后被剪切，这缩短了处理时间。在冷却结构被接合到衬底的金属化部上的时刻，金属化部可以牢固地与衬底的绝缘支承体连接。根据本发明的衬底装置包括扁平的衬底，所述扁平的衬底具有被结构化成印制导线和/或被结构化成导体面(Leiterflaeche)的最上部的金属化层；最下部的金属化层， 所述最下部的金属化层被布置在衬底的背离最上部的金属化层的那侧上；以及绝缘层，所述绝缘层被布置在最上部的金属化层和最下部的金属化层之间。此外，该衬底还包括至少一个绝缘支承体，所述至少一个绝缘支承体被布置在最上部的金属化层和最下部的金属化层之间并且最上部的金属化层和最下部的金属化层中的每个都彼此独立地可以直接或间接地被涂敷到该绝缘支承体上。因此，最上部的金属化层和最下部的金属化层被直接涂敷到布置在衬底的最上部的金属化层和衬底的最下部的金属化层之间的绝缘支承体上，仅仅最上部的金属化层而不是最下部的金属化层被直接涂敷到布置在衬底的最上部的金属化层和衬底的最下部的金属化层之间的绝缘支承体上，仅仅最下部的金属化层而不是最上部的金属化层被直接涂敷到布置在衬底的最上部的金属化层和最下部的金属化层之间的绝缘支承体上，或者最上部的金属化层和最下部的金属化层都不被直接涂敷到布置在衬底的最上部的金属化层和衬底的最下部的金属化层之间的绝缘支承体上。与金属化层的侧向延伸区域相比非常薄的金属化部被视为金属化层。金属化层在此可以被构造为基本上平坦的层。绝缘支承体可以是由电介质构成的薄的小板。绝缘支承体也可被构造为平坦的层。被涂敷到绝缘支承体上的最上部的和/或最小部的金属化层可以被涂敷到绝缘支承体的主面上并且在绝缘支承体的主面的大部分上延伸。被涂敷到衬底的金属化层上的半导体芯片的芯片金属化部、亦即例如漏极金属化部、源极金属化部、发射极金属化部、集电极金属化部、阳极金属化部、阴极金属化部、栅极金属化部或者基极金属化部不被视为衬底的金属化层，其中借助这些芯片金属化部将半导体芯片固定在衬底的金属化层上。因此，在根据本发明的衬底装置中，可用于冷却的线结构被接合到衬底的最下部的金属化层上。在最简单的情况下，在这种衬底装置中，最上部的金属化层还完全未装配有有源半导体器件或者至少没有装配有有源半导体器件。然而对此可替换地，衬底的最上部的金属化层也可以装配有一个或多个器件，例如装配有一个或多个功率半导体芯片。借助这种衬底装置可以将在衬底的最上部的金属化层所装配有的一个或多个部件中积聚的损耗热穿过衬底进一步被传导给线结构并且经由该线结构导散给围绕该线结构的冷却流体。冷却液或者譬如空气的气体被视为在本发明的意义上的冷却流体。为了提高在线结构和冷却流体之间的热交换，例如通过借助泵或者通风机将流(Stroemimg)注入(einpraegen)冷却流体，冷却流体可以以流的形式被传导到线结构上。冷却流体在此可以处于开放的系统、譬如外界空气中，或者可以处于封闭的系统、例如封闭的冷却循环线路中。然而可替换地，也可能的是，冷却流体仅仅准静态地围绕线结构，也就是说，并未给冷却流体加上(aufpraegen)外部流。如果最上部的金属化层被装配有功率半导体芯片并且必要时被装配有其它部件， 则为了构造功率半导体模块可以给衬底装置配备有壳体，使得最上部的金属化层朝着壳体的内部并且线结构位于功率半导体模块的外侧上。在最简单的情况下，壳体可以是壳体框架或壳体盖，在所述壳体盖的敞开的下侧上有衬底装置。同样，壳体可以由此形成包括功率半导体芯片在内的衬底装置在其装配有功率半导体芯片的那侧上挤压包封或浇注有壳体浇注材料来使得线结构露出，也就是说，线结构被布置在壳体外部并且这样可接近冷却流体。上面所描述的带有所接合的冷却结构的衬底装置或带有这种衬底装置的功率半导体模块可以与流体冷却体相连，用于构造功率半导体模块装置。对此，设置有如下流体冷却体所述流体冷却体用于容纳冷却流体并且可选地也用于输送冷却流体，而且该流体冷却体具有配备有凹处的室。在这种情况下，衬底可以被安装为使得在使用密封装置的情况下该衬底将凹处气密地封闭，并且线结构完全或至少部分被布置在该室中。在最简单的情况下，衬底具有恰好一个唯一的绝缘支承体，所述绝缘支承体被布置在最上部的金属化层和最下部的金属化层之间，并且所述绝缘支承体可以使最上部的金属化层与最下部的金属化层彼此电绝缘。然而可选地，衬底也可以包括两个或更多扁平的绝缘支承体以及补充于最上部的和最下部的金属化层也还可以包括一个或多个另外的金属化层。绝缘支承体以及另外的金属化层在此被布置在衬底的最上部的金属化层和衬底的最下部的金属化层之间。此外，每两个相邻的金属化层可以借助位于其间的绝缘支承体来间隔并且在需要时也可以彼此电绝缘。只要在不同的金属化层之间需要电连接，则对此设置穿通接触部，所述穿通接触部穿过在要相互连接的金属化层之间所布置的绝缘支承体。根据衬底的扩展方案，该衬底具有两个扁平地相互连接的部分衬底，在这些部分衬底中的每个部分衬底都包括绝缘支承体，在这些部分衬底中的每个部分衬底在其两个主面上分别配备有金属化层。为了制造完成的衬底，两个部分衬底分别在其金属化层之一上彼此扁平地连接。部分衬底的两个另外的金属化部接着形成完成的衬底的最上部的或最下部的金属化层。给最上部的金属化层装配有功率半导体芯片并且将线结构接合到最下部的金属化层在此可以彼此独立地在建立两个部分衬底之间的连接之前或者之后进行。
以下借助实施例参照所附的附图示例性地阐述了本发明。其中
图1示出了带有衬底的衬底装置的纵断面，在该衬底的下部金属化部上接合线结构； 图2示出了图1中所示的衬底装置的衬底的最下部的金属化部以及接合到该最下部的金属化部的线结构的俯视图3示出了根据图1和2的衬底装置在图2中所示的截面平面El中的放大的区段； 图4示出了衬底的最下部的金属化部的俯视图，具有多个平行走向的接合线的线结构被接合到所述衬底的最下部的金属化部上，其中相邻的接合线的接合部位彼此错移地布置；
图5示出了图4中所示的衬底装置在截面平面E2中的放大的区段的纵断面； 图6示出了带有衬底的衬底装置的放大的区段的纵断面，接合线被接合到该衬底的最下部的金属化层上；
图7示出了带有衬底的衬底装置的放大的区段的纵断面，线结构被接合到该衬底的最下部的金属化部上，该线结构具有带有相叠的接合部位的所堆叠的接合线；
图8示出了带有功率半导体模块的功率半导体模块装置，该功率半导体模块被安装在流体冷却体上并且该功率半导体模块的最下部的金属化部借助构造为密封环的密封装置气密地与流体冷却体相连；图9示出了功率半导体模块装置的纵断面，所述功率半导体模块装置与根据图8的功率半导体模块装置的区别在于在功率半导体模块和流体冷却体之间的密封不是在衬底的最下部的金属化部上进行而是在衬底的绝缘支承体上进行；
图10示出了功率半导体模块装置的纵断面，所述功率半导体模块装置与根据图8的功率半导体模块装置的区别在于胶粘剂被用作密封装置；
图11示出了功率半导体模块装置的纵断面，所述功率半导体模块装置与根据图9的功率半导体模块装置的区别在于胶粘剂被用作密封装置；
图12示出了功率半导体模块装置的纵断面，其中功率半导体模块不仅被粘合在最下部的金属化部上而且被粘合在衬底的带有流体冷却体的绝缘支承体上；
图13示出了功率半导体模块装置的纵断面，其中功率半导体模块仅被粘合在衬底的带有流体冷却体的绝缘支承体上；
图14示出了两个彼此要连接成衬底装置的部分衬底，其中一个部分衬底装配有功率半导体芯片而另一个部分衬底配备有所接合的冷却结构；
图15示出了包括带有两个相互连接的部分衬底的功率半导体模块的衬底的纵断面； 图16示出了带有安装在流体冷却体上的根据图15所构造的功率半导体模块的功率半导体模块装置；
图17示出了带有由两个部分衬底组成的衬底的功率半导体模块装置的纵断面，其中用于冷却的线结构所接合到的部分衬底局部地仅仅被布置在位于衬底的最上部的金属化层上的功率半导体芯片之下；
图18示出了衬底的区段的透视图，在该衬底的最下部的金属化层上接合有由具有圆形横截面的接合线构成的线结构；
图19示出了衬底的透视图，在该衬底的最下部的金属化层上接合有包括多个扁平的小带的线结构；
图20示出了图8中所示的功率半导体模块装置的流体冷却体在截面平面E3中的水平截面；
图21示出了图8中所示的功率半导体模块装置的流体冷却体在去除功率半导体模块和去除密封装置的情况下的俯视图22示出了图21中所示的流体冷却体在装入密封装置的情况下的视图； 图23示出了衬底的最下部的金属化层的俯视图，在所述衬底的最下部的金属化层上接合有带有多个彼此平行走向的接合线区段的冷却结构，其中接合线区段的方向相对于冷却剂的流动方向倾斜地走向；
图M示出了衬底的最下部的金属化层的俯视图，在该衬底的最下部的金属化层上接合有带有多个彼此平行走向的接合线区段的冷却结构，其中接合线区段的方向平行于冷却剂的流动方向走向；
图25示出了衬底的最下部的金属化层的俯视图，在该衬底的最下部的金属化层上接合有带有多个彼此平行走向的接合线区段的冷却结构，其中接合线区段的方向垂直于冷却剂的流动方向。 除非另外提及，所示的附图不是合乎比例的。使用在以下的附图描述中的、与方向相关的术语(例如术语如“上部”、“下部”、“左边”、“右边”、“前部”、“后部”、“侧向”、“在…上”、“在…下”等等)涉及相应的附图。这些术语仅仅用于使附图的理解容易。原则上，所示的元件可以在空间上任意地布置，除非从说明书中得到其它说明。此外，除非另外明确提及，在不同的附图中，相同的附图标记表示具有相同的或彼此相对应的功能的相同的或者彼此相对应的元件。
具体实施例方式图1示出了带有衬底2和用作冷却结构的线结构的衬底装置1的纵断面，该线结构具有多个接合线区段3。衬底2包括绝缘层21，该绝缘层21被构造为扁平的介电小板并且具有两个主侧。在下文中将扁平的小板的两个面积上最大的侧称作主侧。衬底2包括最上部的金属化层11以及布置在衬底2的背离最上部的金属化层11 的那侧上的最下部的金属化层12。可选地，衬底2在其最上部的金属化层11与其最下部的金属化层12之间也还会具有另外的金属化层，所述另外的金属化层通过另外的可选的绝缘层与衬底2的各其它金属化层间隔。可选地，衬底2的最上部的金属化层11和最下部的金属化层12此外还可以通过至少位于其间的绝缘层21彼此电绝缘。此外，最上部的金属化层11可以被结构化为印制导线和/或被结构化为导体面并且由此具有两个或更多通过间隙10彼此间隔的连贯的区段。衬底2可以由此被用作电路支承体，其中最上部的金属化层11装配有一个或多个电子部件，所述一个或多个电子部件在需要时可以借助被结构化的最上部的金属化层11来布线。例如，最上部的金属化层11 可以装配有一个或多个功率半导体芯片以及可选地可以装配有另外的部件。线结构被接合到最下部的金属化层12上，该线结构包括多个接合线区段3。接合线区段3中的每个接合线区段为此都具有一个或多个接合部位31，在所述接合部位31上， 接合线区段局部地被接合到最下部的金属化层12上。图2示出了根据图1的衬底装置1的下侧的俯视图。在该视图中可看到的是，最下部的金属化层12可以未被结构化并且可以与绝缘支承体21的下侧的侧向边缘间隔。各个接合线区段3分别在多个接合部位31上被接合到最下部的金属化层12上。根据图2中所示的扩展方案，在接合线区段3的每个接合线区段中，相关的接合部位31沿着直线相继地布置。由此，各个接合线区段3基本上彼此平行地走向，其中相邻的接合线区段3具有距离a3。在所示的装置中，接合线区段3由单独的接合线形成。对此可替换地，线结构的两个、更多或者所有接合线区段3可以彼此连接。例如，所示的线结构在根据图2的俯视图中也会由唯一的、曲折状走向的接合线构成。原则上，单独的接合线区段3的数目以及线结构的几何形状可以任意地选择。当使用在接合部位31之外具有圆形横截面的接合线来制造相关的接合线区段时，距离a3可以被选择为例如小于或者等于接合线直径的三倍或者小于或等于接合线直径的两倍。相对应地，距离a3在小带的情况(也参见图19)下可以选择为例如小于或等于小带的厚度d3的三倍或者小于或等于小带的厚度d3的两倍。同一接合线区段3的相邻接合部位31的在图2中用d3表示的距离例如可以在 2mm到5mm的范围中。接合线3的整体形成了在下文中也称作冷却结构的线结构。为了尽可能有效的冷却在其中一侧上有利地设置有尽可能多的接合部位31，因为在最上部的金属化层11 (参见图1)和由接合线3构成的冷却结构之间的热传递阻抗随着接合部位31的总数的增加而降低。但是，也要考虑相反的效应，因为各个接合部位31的平均冷却效果随着由于通过大数目的相邻的接合部位31对冷却流体预热而引起的接合部位厚度增加而降低，并且此外还因为在流动的冷却流体的情况下会出现“遮蔽效应”，其中从多个彼此处于小间隔的接合部位31出发的接合线带(Bonddrahtschleife)强烈地抑制冷却流体的流，使得在其它相邻的接合线带的区域中局部显著地降低了冷却流体的流速度并且随之而来局部显著地降低冷却效果。接合部位31的平均面密度、即线结构用来被接合到最下部的金属化层12上的接合部位31的总数与最下部的金属化层12的总面积之比例如可以被选择为大于或等于10 个接合部位/平方厘米和/或处于10个接合部位/平方厘米到170个接合部位/平方厘米的范围中。图3示出了图1和2中所示的衬底装置在图2中所示的截面平面El中的放大的区段的纵断面。在该视图中，同接合线3的两个相邻的接合部位31的距离d3 —样可清楚地看到各个接合部位31，在这些接合部位31上，同样的接合线3被接合到最下部的金属化层12上。此外可以看到的是，在相邻的接合部位31之间的接合线3相应地可以构造相对于最下部的金属化层12具有高度h3的带。高度h3选择得越大，则相关的接合线带的表面就越大并且随之而来对围绕接合线区段3的冷却流体的热交换面也就越大。高度h3原则上是任意的，在任何情况下有意义的是大于或等于2mm的值。由于在接合线3和围绕接合线 3的冷却流体之间的温差在接合线3的与最下部的金属化层12间隔很远的部位上非常小， 所以在这些部位上不再发现接合线3的显著的附加的冷却效果，使得高度h3的大的值尽管没有使总冷却效果劣化，但也不再提供明显的优点。在这个意义上，例如在直径直至500 μ m (在接合部位31外部)的接合线3的情况下，小于或等于6mm的高度h3被确定为适宜的。根据图4中所示的可替换的扩展方案，相邻的接合线区段3的接合部位31在各个接合线区段3的接合部位31沿着其布置的直线的方向上彼此错移距离d33。距离d33例如可以大于0且小于或等于0. 5 .d30利用这种其中相邻的接合线区段3的接合部位31被置于空隙的装置，一方面前面所描述的遮蔽效应可以被减小，另一方面由此能降低相邻的接合线区段3的距离a3，因为用于制造接合部位31的接合车刀(Bondmeissel)较不强烈地受到相邻的已经接合的接合线区段3的接合部位31妨碍。图5示出了图4中所示的衬底装置在截面平面E2中的放大的区段的纵断面。在该图中，还阐明了相邻的接合线区段3的接合部位31的偏移d33。针对量d3、d33和h3以及a3适用参照图1至4所说明的值或值域。根据图6中所示的可替换的扩展方案，在相邻的接合部位31之间构造的接合线带也可以扁平地被实施并且例如具有高度h3，该高度h3小于同一接合线区段3的相邻的接合部位31的距离d3。如图7中所示的那样，这使得能够将多个接合线区段3a、3b、3c、3d、 3e彼此堆叠状地布置，使得最下部的接合线区段3a在接合部位31被直接接合到最下部的金属化层12上，并且另外的接合线区段:3b、3c、3d、;3e在接合部位32上被接合到直接位于下部的接合线区段3a、3b、3c或3d的各位于下部的接合部位32或31上。接合线堆叠30 的接合线区段3a、3b、3c、3d、;3e的总数N原则上是任意的。在试验中，总数为二到四个彼此堆叠的接合线区段3a、3b、3c、3d、;3e的接合线堆叠30已经受考验。接合线堆叠30的高度h3、也就是接合线堆叠30相对于最下部的金属化层12的下表面的高度大于接合线直径的 N倍。该高度h3例如可以为0. 6mm到8mm。相邻的接合部位31的距离d3可以同在前面的例子中一样来选择。图8示出了带有功率半导体模块的功率半导体模块装置的纵断面，该功率半导体模块包括前面所阐述的衬底装置，以及被涂敷到电路支承体2的最上部的金属化层11上的一个或多个功率半导体芯片4。功率半导体芯片4例如可以是IGBT、MOSFET、JFET、二极管、 晶闸管或任意其它的功率半导体芯片。此外，功率半导体模块具有壳体7，该壳体7仅仅示意性地示出。所装配的电路装置在此可以刚性地或者弹性地与壳体7连接。功率半导体芯片4具有带有上部的金属化部 41和下部的金属化部42的半导体本体40。利用功率半导体芯片4的下部的金属化部42， 功率半导体芯片4以热学方式并且可选地也导电地通过扁平的连接层61与衬底2的最上部的金属化层11相连。连接层61例如可以是焊接层、(例如具有导电的胶粘剂的)粘接层或者是低温压力烧结连接。此外，上部的芯片金属化部41可以连接到最上部的金属化层11的另外的区段。在根据图8的装置的情况下，对此示例性地使用了接合线5。然而原则上，也可以使用任意其它的连接装置，例如被焊接的或者被接合的接触弓、带有集成的印制导线的层压的膜结构或者柔性的印制电路板。作为线结构，也如在随后的图9至17中那样，仅仅示例性地示出了参照图4和5 所阐述的线结构。然而原则上，可以以相同的方式采用每个任意的其它线结构。此外，图8中所示的功率半导体模块装置具有流体冷却体9，该流体冷却体9配备有室91，该室91用于容纳冷却流体并且该室91具有在使用密封装置95的情况下通过衬底2气密地密封的凹处。在将功率半导体模块100安装在流体冷却体9上之后，线结构利用其接合线区段3完全地或至少部分地被布置在室91中。在图8中所示的扩展方案中，密封装置95被构造为密封绳，所述密封绳被装入槽中并且环形地围绕室91的凹处。在根据图8的装置中，密封绳对于衬底2的最下部的金属化层12起作用。为了在将密封绳用作密封装置95的情况下实现有效的密封，衬底2或整个功率半导体模块必须借助压紧力F朝着流体冷却体9的方向挤压。作用到衬底2上的压紧力在此可以通过壳体7本身来产生，例如在壳体被压向流体冷却体9时，或者通过压紧元件、譬如与壳体耦合的框架来产生，该框架将用来将壳体压向流体冷却体9的压紧力传递到衬底2上。将壳体7压紧到流体冷却体9上例如可以通过将壳体与流体冷却体9旋紧、 夹紧或卡锁在一起来实现。固定可能性在根据图8和跟随的附图的装置中尽管存在，但未示出。为了实现尽可能好的冷却作用，尤其是当流体冷却体9被冷却流体流过时，有利的是，在具有接合线区段3的冷却结构与位于凹处91对面的室壁96之间的距离d39并不选择得大到使得迫使冷却流体的相当大部分在接合线带之间流过并且在此持续地在接合线带的区域中通过重复流动的(nachfliessende)冷却流体取代。在试验中，对于d39，两个接合线直径的距离或者更小的距离已被证明为是实用的。尤其是，距离d39也可被选择等于零，使得接合线带中的至少一些接触室壁96。图9示出了功率半导体模块装置的另一扩展方案，所述功率半导体模块装置与根据图8的功率半导体模块装置的区别在于密封环95并未针对衬底2的最下部的金属化层 12而是针对衬底2的绝缘支承体21来进行密封。根据图10和11的功率半导体模块装置除了如下不同之处之外对应于根据图8或 9的功率半导体模块装置粘性的密封垫圈(Dichtraupe)被用作密封装置95，该粘性的密封垫圈在衬底装置被安装在流体冷却体9上之前围绕室91的凹处被涂敷到流体冷却体9 的上侧上并且被硬化到使其失去粘性的程度。此后才将衬底装置安装在流体冷却体9上。 作为用于密封垫圈的材料合适的例如是硅树脂或者PU和环氧树脂，这些材料由硬度来调节，使得这些材料在硬化的状态下是柔性的。在根据图10的装置中，对最下部的金属化层 12进行密封，在根据图11的装置中对衬底2的绝缘支承体21进行密封。在根据图12和13的功率半导体模块装置中，胶粘剂被用作密封剂95，该胶粘剂如在图12中所示的那样从最上部的金属化层11围绕衬底2的侧面可以延伸直至最下部的金属化层12，或者如在图13中所示的那样仅仅围绕衬底2的绝缘支承体21的边缘可以延伸直至最下部的金属化层12。对包括衬底2、线结构3以及布置在最上部的金属化层11上的半导体芯片4的衬底装置的制造例如可以进行来使得首先提供未装配的衬底2，在该未装配的衬底2的最下部的金属化层12上接合有带有一个或多个单独的接合线区段3的冷却结构。此后才给衬底2的迄今未装配的最上部的金属化层11装配有一个或多个功率半导体芯片4，并且接着， 如果这是实现所希望的电路所需的，则电连接衬底2的目前未装配的最上部的金属化层11 与一个或多个功率半导体芯片4。根据另一扩展方案，衬底装置也可以通过连接两个部分衬底2a、2b来制造。图14 在上部示出了带有绝缘支承体21的第一部分衬底2a，该绝缘支承体21的主面配备有金属化层11和13。金属化层11被结构化为印制导线和/或导体面。第二部分衬底2b同样具有扁平的绝缘支承体22，该绝缘支承体22的主面配备有金属化层14和12。金属化层13、 14和12可以彼此独立地任意被结构化或者不被结构化。第一部分衬底加的被结构化的金属化层11被装配有功率半导体芯片4。在功率半导体芯片4和金属化层11之间的连接以及上部的芯片金属化部41的可选的电互连可以如这参照图8所阐述的那样进行。用作冷却结构的带有一个或多个接合线区段3的线结构被接合到第二部分衬底 2b的金属化层12上。在给第一部分衬底加装配功率半导体芯片4之后并且在将接合线区段3接合到第二部分衬底2b的金属化层12上之后，部分衬底加和2b在其未装配的金属化层13和14上借助连接层62扁平地彼此连接，使得在功率半导体芯片4与线结构之间存在小的热传递阻抗。连接装置62例如可以是焊料、导热的胶粘剂或者含银的配备有溶剂的糊，用于制造低温连接。在焊料的情况下，连接可以通过软焊料钎焊、扩散钎焊或者反应性钎焊来制造。如在图15中所示，在将被装配的部分衬底加和2b连接之后形成具有衬底2的电路装置，该衬底2包括部分衬底h、2b以及连接装置62。金属化层11、12接着形成衬底2 的最上部的金属化层或最下部的金属化层。具有总共两个或更多陶瓷绝缘支承体层21、22 的衬底2相对于具有仅仅一个陶瓷绝缘支承体层21的衬底2的优点在于根据绝缘支承体层21、22的材料和厚度而高大约5倍至10倍的刚性。由此，衬底结构在将工作压力施加到冷却流体时变形显著更小。
可选地，电路装置可以配备有壳体7，如这已经参照图8所阐述的那样。这种功率半导体模块在气密地密封凹处的情况下同样可以插入到流体冷却体9的凹处91中，如这示例性地借助图8至13已经阐述的那样，其中该功率半导体模块的衬底包括两个彼此连接的部分衬底加、213。在图16中为此根据按照图8的装置仅仅示例性地示出了构造为密封绳的被插入到流体冷却体9的槽中的密封装置95。可替换地或者补充地，密封也可以利用如例如借助图9至13所阐述的那样的其它变形方案来实现。根据带有由两个部分衬底2a、2b组成的衬底2的功率半导体模块的另一扩展方案，第二部分衬底2b也可以仅仅局部地被布置在要散热的功率半导体芯片4之下。在多个布置在第一部分衬底加的最上部的金属化层11上的功率半导体芯片4的情况下，也可以将多个第二部分衬底2b并排地并且分别局部地布置在要冷却的功率半导体芯片4之下。然而同样也可能的是，第二部分衬底2b在两个、更多或所有布置在最上部的衬底金属化部11 上的功率半导体芯片4上延伸。第二部分衬底2b因此可以不仅具有与第一部分衬底加一样的量，而且具有比第一部分衬底加更小或者更大的量。在这种情况下，相应的部分衬底 2a或2b的最长的边的长度被视为量。图18示出了最下部的衬底金属化部12的透视图，带有接合线区段3的线结构被接合到该最下部的衬底金属化部12上，如其参照图4和5所阐述的那样。根据另一扩展方案，为了形成带有接合线区段3的线结构，可以使用构造为扁平的小带的并且在需要时预弯曲的接合线3。在所有前面所阐述的扩展方案中，针对分别示出的接合线区段3完全地或者至少部分地代替具有圆形横截面的接合线也可以使用被构造为扁平的小带的接合线。这样的小带的宽度B3例如可以为Imm至3mm。在根据接合线直径进行上述说明的部位上，在小带状的线结构的情况下代替此地使用小带3的厚度d3。图20示出了图8中所示的流体冷却体9在去除功率半导体模块的情况下在截面平面E3中的水平截面。可以在该截面视图中看到的是，室91可以配备有入口 93和出口 94， 以便将冷却流体引入室91中或从室91引出该冷却流体。随后将从入口 93至出口 94的方向理解为冷却流体的通流方向。该通流方向在图20至22中通过箭头来表示。为了使将流体冷却体9例如连接至管道接头容易，入口 93和出口 94例如可以配备有螺纹93a或94a。 然而，原则上也可以使用任意的其它连接技术、譬如软管短接(Schlaimippel)等等。图21示出了图8中所示的流体冷却体9在去除功率半导体模块和去除密封装置 95的情况下的俯视图。因此，该视图示出了室91的在根据图8的装置中通过衬底2气密地密封的凹处，环形闭合的槽92为了容纳密封绳而围绕该凹处走向。图22示出了在将密封绳95插入到槽92中之后的同一视图。冷却流体的流动方向可以相对于接合线区段3的取向彼此(如这在图23J4和25 中所示的那样)被选择为以任意角度倾斜、平行或垂直于接合线区段3的走向。为了在如在图8至13、16和17中示例性示出的那样包括安装在流体冷却体9上的衬底装置的功率半导体模块装置中避免构造所参与的金属中的最不贵重的金属的与此相关的分解物(Abbau)的原电池，衬底2的最下部的金属化层12、流体冷却体9和线结构可以具有由同一金属构成的表面并且可选地可以由同一金属形成。原则上，可以采用任意的金属，但是在同时导热性良好的情况下由于重量轻而特别合适的是铝或者铝合金。
最上部的金属化层11由于与此相联系的良好导电性和导热性可以由铜或者铜合金形成，或者由铝或者铝合金形成。为了保证最上部的金属化层11的可焊接性，最上部的金属化层11可以可选地配备有氧化保护层，该氧化保护层例如在由铜或者由铜合金构成的金属化层12的情况下防止在稍后要焊接的表面上形成氧化铜。同样可能的是，最上部的金属化层如果例如由铝或者铝合金构成则配备有可选的、薄的例如由镍和/或银和/或金构成的层，以便改进可焊接性。作为用于前面所阐述的介电层21、22的材料，由于其良好的导热性尤其合适的是陶瓷、譬如氧化铝(A1203)、氮化铝(A1N)、氮化硅(Si3N4)或者氧化铍(BeO)。衬底2的金属化层11、12、13、14可以彼此独立地并且彼此任意组合地例如利用如下方法与绝缘层21、22 相连
在由铜或者铜合金构成的金属化层11、12、13、14的情况下DCB方法(DCB=直接敷铜 (direct copper bonding))，其中相关的金属化层11、12、13、14直接与由氧化铝(A1203)或者氮化铝(AlN)构成的带有具有氧化铝的表面的绝缘层21、22相连。在由铝或者铝合金构成的金属化层11、12、13、14的情况下DAB方法(DAB=直接敷铝(direct aluminum bonding))，其中相关的金属化层11、12、13、14直接与绝缘层21、 22相连。在由铝或者铝合金构成的金属化层11、12、13、14的情况下TLP方法(TLP=过渡液相(transient liquid phase)),如在 Y. Kuromitsu 等人‘‘Direct bonded aluminum on aluminum nitride substrates via a transient liquid and its application" (CIPS 2010,2010年3月16日至18日、纽伦堡、柏林VDE出版有限公司、奥芬巴赫，ISBN 978-3-8007-3212-8，第 357-362 页)中予以描述。在由Cu或者Al构成的金属化层11、12、13、14的情况下AMB方法(AMB=活性金属钎焊(active metal brazing))，其中相关的金属化层11、12、13、14直接与由A1203、A1N、 Si3N4或BeO构成的绝缘层21、22相连。例如，在衬底2中，最上部的金属化层11可以由铜或者铜合金构成，并且最下部的金属化层12可以由铝或者铝合金构成。这种衬底2能利用仅仅唯一的、布置在最上部的金属化层11和最下部的金属化层12之间的绝缘层21来实现，或者也可以利用两个或更多布置在最上部的金属化层11和最下部的金属化层12之间的绝缘层21、22来实现。在最后所述的情况下，衬底2例如可以包括第一部分衬底加和与其相连的第二部分衬底2b(例如参见图14至17)，其中第一部分衬底加被构造为带有由铜或者铜合金构成的金属化层11和 13的DCB衬底，而其中第二部分衬底2b具有由铝或者铝合金构成的金属化层12和14。在仅仅带有唯一的绝缘层21的衬底2的另一被证明为成功的变形方案中，最上部的金属化层11和最下部的金属化层12由铜形成，其中最下部的金属化层12附加地配备有由镍或者铝构成的涂层，所述涂层具有在10 μ m到100 μ m的范围中的层厚度并且例如可以通过冷气体喷雾来制造，或者所述涂层具有在1 μ m到20 μ m的范围中的层厚度并且例如可以通过溅射或者气相淀积来制造。衬底2的各个金属化层11、12、13、14的厚度例如可以彼此独立地并且彼此任意组合地分别在0. 2mm到0. 6mm的范围中。绝缘层21、22的厚度例如可以彼此独立地并且彼此任意组合地分别在0. 2mm到1. 2mm的范围中。
作为线结构的材料尤其合适的是具有最下部的金属化层12的材料的合金或者材料，例如是Al、AlMg或Cu。此外，例如可以使用镀铝的铜线。
权利要求
1.一种衬底装置(1)，其具有扁平的衬底(2)，所述扁平的衬底(2)具有被结构化成印制导线和/或导体面的最上部的金属化层(11);最下部的金属化层(12)，所述最下部的金属化层(12)被布置在衬底(2)的背离最上部的金属化层(11)的那侧上；以及绝缘层(21)， 所述绝缘层(21)被布置在最上部的金属化层(11)和最下部的金属化层(12)之间，其中-最上部的金属化层(11)完全未被装配；-线结构，所述线结构被接合到最下部的金属化层(12)上并且所述线结构包括至少一个连贯的接合线区段(3)。
2.根据权利要求1所述的衬底装置(1)，其中，最下部的金属化层(12)没有装配有一个或多个有源电器件。
3.根据权利要求1或2所述的衬底装置(1)，其中，最下部的金属化层(12)连贯地被构造。
4.根据上述权利要求之一所述的衬底装置(1)，其中，线结构在多个接合部位(31)被接合到最下部的金属化层(12)上，其中接合部位(31)相对于最下部的金属化层(12)的总面积的平均面密度大于10个接合部位/平方厘米。
5.根据上述权利要求之一所述的衬底装置(1)，其中，线结构相对于最下部的金属化层(12)具有至少2mm的高度(h3)。
6.根据上述权利要求之一所述的衬底装置(1)，其中，线结构的至少一个接合线区段(3)在多个彼此间隔的接合部位(31)被接合到最下部的金属化层(12)上；接合部位(31)的相邻的接合部位分别具有最少2mm的距离(d3)； 在接合部位(3)的相邻的接合部位之间分别构造有接合线带。
7.根据上述权利要求之一所述的衬底装置(1)，其中，线结构包括至少两个接合线区段(3)，所述至少两个接合线区段(3)在各多个接合部位(31)上被直接接合到最下部的金属化层(12)上，其中所述两个接合线(3)中的一个接合线的多个接合部位(31)沿着第一直线相继地被布置；所述两个接合线(3)中的另一接合线的多个接合部位(31)沿着平行于第一直线走向的第二直线相继地被布置。
8.根据权利要求7所述的衬底装置(1)，其中，所述接合线区段(3)的另一接合线区段的多个接合部位朝向第二直线的方向相对于所述接合线区段(3)的所述一个接合线区段的多个接合部位(31)错移地被布置。
9.根据上述权利要求之一所述的衬底装置(1)，其中，线结构具有接合线堆叠(30)，所述接合线堆叠(30)具有在垂直于最下部的金属化层 (12)的方向上相继布置的、彼此堆叠的多个接合线区段(3a，;3b，3C，3d，3e)；所述接合线堆叠(30)的接合线区段的第一接合线区段(3a)在多个接合部位(31)被直接接合到最下部的金属化层(12)上；所述接合线堆叠(30)的接合线区段的每个另外的接合线区段(3b、3c、3d、3e)借助另外的接合部位(32)被接合到朝着最下部的金属化层(12)的方向与相应的接合线区段(3b、 3c、3d、3e)最近的接合线区段(3a、3b、3c、3d)的接合部位(31，32)上。
10.根据上述权利要求之一所述的衬底装置(1)，其中，绝缘层(21)被构造为陶瓷层 (21，22)。
11.根据上述权利要求之一所述的衬底装置，其中，线结构的表面和最下部的金属化层 (12)的表面完全由铝或者铝合金构成或者由铜或者铜合金构成。
12.根据上述权利要求之一所述的衬底装置，其中，最上部的金属化层(11)完全或者至少主要由铜构成。
13.根据上述权利要求之一所述的衬底装置，其中，最下部的金属化层(12)完全或者至少主要由铝或者由铜构成。
14.根据上述权利要求之一所述的衬底装置(1)，其中，衬底(2)包括第一部分衬底 (2a)和第二部分衬底(2b)，其中，第一部分衬底(2a)具有第一陶瓷层(21)，以及具有第一金属化层(11)和第二金属化层(13)，所述第一金属化层(11)和第二金属化层(13)被布置在第一陶瓷层(21)的彼此对置的那些侧上，以及其中第一金属化层(11)通过最上部的金属化层(11)来给出；第二部分衬底(2b)具有第二陶瓷层(22)，以及具有第一金属化层(14)和第二金属化层(12)，所述第一金属化层(14)和第二金属化层(12)被布置在第二陶瓷层(22)的彼此对置的那些侧上，并且其中第二金属化层(12)通过最下部的金属化层(12)来给出；绝缘层(12)通过第一陶瓷层(21)或者通过第二陶瓷层(22)来给出。
15.根据权利要求14所述的衬底装置，其中，第一部分衬底(2a)的第二金属化层(13) 和第二部分衬底(2b)的第一金属化层(14)通过扁平的焊接层(62)或者低温压力烧结连接层彼此连接。
16.一种衬底装置，其根据按照上述权利要求之一所述的衬底装置来构造，然而所述衬底装置与根据相关的上述权利要求所述的衬底装置的区别在于，最上部的金属化层(11)被装配有半导体芯片(4)。
17.—种功率半导体模块，其包括壳体(7)和与壳体(7)连接的根据权利要求16来构造的衬底装置(1)，其中，最上部的金属化层(U)朝着壳体(7 )的内部；线结构(3)被布置在功率半导体模块的外侧上。
18.—种功率半导体模块装置，其包括根据权利要求17所述的功率半导体模块以及与该功率半导体模块相连的流体冷却体(9)，所述流体冷却体(9)具有配备有凹处的室(91)， 其中，线结构完全或者至少部分地被布置在室(91)中；衬底(2)借助密封装置(95)将凹处气密密封地封闭。
19.根据权利要求18所述的功率半导体模块装置，其中，室(91)具有与衬底(2)对置的室壁(96)，所述室壁(96)的距线结构的距离(d39)小于或者等于线结构的接合线区段(3) 的厚度(d3)的两倍。
20.根据权利要求18或19所述的功率半导体模块装置，其中，室(91)具有入口(93)，通过所述入口(93)能够将冷却流体传导到室(91)中；室(91)具有出口(94)，通过所述出口(94)能够将处于室(91)中的冷却流体引出室 (91)；线结构包括多个接合线区段(3)，所述接合线区段(3)分别在多个成排线性相继地布置的接合部位(31)被接合到最下部的金属化层(12)上；不同的排彼此平行地被布置；不同的排相对于冷却流体通流方向平行地或者垂直地或者成对角线地走向，所述冷却流体通流方向通过从入口(93)至出口(94)的方向来给出。
21.根据权利要求18至20之一所述的功率半导体模块装置，其中，最下部的金属化层 (12)、线结构和流体冷却体(9)具有由相同金属构成的金属表面。
22.一种用于制造根据权利要求16所述的衬底装置的方法，其具有如下步骤提供第一部分衬底(2a)，所述第一部分衬底(2a)具有第一陶瓷层(21)以及具有第一金属化层(11)和第二金属化层(13 )，所述第一金属化层(11)和第二金属化层(13 )被布置在第一陶瓷层(21)的彼此对置的那些侧上；提供第二部分衬底(2b)，所述第二部分衬底(2b)具有第二陶瓷层(22)以及具有第一金属化层(14)和第二金属化层(12)，所述第一金属化层(14)和第二金属化层(12)被布置在第二陶瓷层(22)的彼此对置的那些侧上；通过在第一部分衬底(2a)的第二金属化层(13)和第二部分衬底(2b)的第一金属化层 (14)之间制造扁平的连接来将第一部分衬底(2a)和第二部分衬底(2b)连接。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，第一部分衬底(2a)的第二金属化层(13)和第二部分衬底(2b)的第一金属化层(14)借助被构造为焊料或者被构造为胶粘剂的连接装置 (62)彼此扁平地连接。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，在将第一部分衬底(加)和第二部分衬底 (2b)连接之前、与将第一部分衬底(2a)和第二部分衬底(2b)连接共同或者在将第一部分衬底(2a)和第二部分衬底(2b)连接之后，给第一金属化层(11)装配有半导体芯片(4)。
25.根据权利要求22至M之一所述的方法，其中，在将第一部分衬底(加)和第二部分衬底(2b)连接之前或者在将第一部分衬底(2a)和第二部分衬底(2b)连接之后，线结构被接合到第二部分衬底(2b)的第二金属化层(12)上。
全文摘要
本发明涉及冷却结构。本发明涉及一种用于进行流体冷却的被接合的冷却结构。在这种情况下，用于冷却的线结构被接合到电路支承体(2)的金属化层(12)上。
文档编号H01L21/58GK102208380SQ20111007996
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者赫布兰特 A., 西佩 D., 霍尔菲尔德 O. 申请人:英飞凌科技股份有限公司