本发明涉及一种按照独立权利要求的前序部分所述的至少一个电气元件和/或电子元件与接合配对件的连接装置、一种用于形成该连接装置的复合元件和方法。
背景技术：
在许多技术领域中，在电路装置内使用电子元件，比如集成电路(IC)、晶体管或者二极管。在这里，各种各样的电子元件固定在基础部件，例如基板或者类似物上。电子元件的固定例如通过连接层(比如粘接层、钎焊层或者烧结层)实现。但是，由于室温、接合温度及工作温度之间的差异、连接层的刚度以及例如为IC与基板的极其不同的膨胀系数，在电子元件中会产生非常高的机械应力或者热机械应力。因此，例如特别是在受到热负荷时会在电子元件上发生所谓的“贝壳破裂”，其中，电子元件的表面的部分区域被破开。这会导致这种电子组件具有非常短的使用寿命。为了减少在电子元件内的机械应力的产生，已知的是，在固定的电子元件的区域周围在基板表面中引入圆形凹部，所谓的凹痕。通过圆形凹部，基板在该区域变得更有弹性，从而由于基板、连接层及电子元件的不同膨胀系数而引起的机械应力在基板被圆形凹部包围的区域中就可以消除。引入凹痕是用于提供基板的额外的制造步骤。由公开文献US2010/0187678A1公开了半导体芯片在金属基板上的一种设置。在这里，半导体芯片通过在低压下使银膏烧结而固定在金属基板上。此外，半导体芯片还具有将半导体芯片与接触部位连接的压焊连接部。这样描述的装置(连同压焊连接部)从外部被完全地涂上金属氧化膜(SnO、AlO)。以这种方式经过涂覆的装置另外还被聚合物材料包封。金属氧化物涂层使半导体芯片的应力减小。这种涂层是昂贵的，因为它必须被涂覆在整个装置上。此外，在作为空间结构的装置上施加涂层是非常复杂的且困难的。此外，只能使用与装置相邻的区域在进行这种涂覆之前可以移除的那些方法。
技术实现要素：
优点本发明的目的在于，以如下方式形成一种电气元件和/或电子元件的连接装置：该元件，特别是半导体芯片可以在运行中耐温度变化地被特别是应用在机动车辆的电路装置内。此外，本发明的目的还在于，提出一种用于形成这种连接装置的方法。这些目的是通过根据独立权利要求的特征部分所述的一种至少一个电气元件和/或电子元件的连接装置、一种用于形成该连接装置的复合元件以及一种用于制造该连接装置的方法得以实现。连接装置包括至少一个电气元件和/或电子元件。所述至少一个电气元件和/或电子元件具有至少一个连接面，该连接面借助于连接层以材料连接的方式与接合配对件连接。连接层例如可以是粘接连接部、钎焊连接部、熔焊连接部、烧结连接部或者在形成材料连接的条件下将接合配对件相连接的其它已知的连接部。根据本发明的连接装置的特征是，以材料连接的方式与连接层邻接地设有加强层。加强层为此具有比连接层更高的弹性模量。以这种方式，可以有利地预防在连接层内形成裂缝，该现象否则在已知的连接装置中由于机械应力和/或热机械应力，特别是在由运行决定的温度变化下会发生。该作用是由具有高弹性模量的材料可以给材料变形带来高的阻力而引起。因此，加强层防止连接层或者与连接层连接的所述至少一个电气元件和/或电子元件发生超临界膨胀。因此，如果加强层通过外边界和内边界被设计成框架状并且至少以它的外边界包围所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面，则可得到一种特别好的保护作用。框架状在这里特别是指：加强层通过它的外边界和/或它的内边界具有至少是在一个平面内，特别是在与所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面基本平行的平面内封闭地环绕的走向。外边界和/或内边界优选与连接面的外部轮廓基本平行地延伸。除了方形或者矩形的基面之外，连接面也可以具有圆形、椭圆形或者其它类型的基面。特别有利的是，加强层被实施为无间断的。以这种方式，通过连接层可以阻止所述至少一个电气元件和/或电子元件、连接层以及接合配对件(例如为支承基板)发生本身不同的膨胀。加强层通过框架状构造像可以吸收力的硬带一样起作用，但同时不允许发生变形。通过在从属权利要求中列举的措施，可以对根据本发明的连接装置进行有利的改进和改动。根据本发明的连接装置的一种有利的实施方式规定，连接层具有一个表面区域，该表面区域延伸超出所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面。有利地，加强层在该表面区域中设置在连接层上。特别有利的是，设置在该表面区域上的加强层以它的内边界至少延伸至所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面。此外还有利的是，在该装置中，加强层至少部分被设计成，使得加强层还至少在最小高度上包围所述至少一个电气元件和/或电子元件的壳体。总的来说，因此，极其有效地防止所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面和壳体两者的遭受危险的边缘区域例如由于由运行决定的温度变化而引起而发生裂缝形成和/或裂缝扩展。在根据本发明的连接装置的一种替代或者改进实施方式中，加强层以它的内边界限定连接层的侧向延伸长度。在这里，加强层的内边界在连接层的层厚上至少部分地或者优选完全地包围连接层。在连接层的层厚上的部分限定例如可以以如下方式实施：加强层与连接层邻接地设置在接合配对件上并且在层厚方面被实施为比连接层更小。此外，加强层可以至少部分地在空间上集成地设置在连接层内。在这里，例如，加强层的朝向所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面的一侧和/或加强层的朝向接合配对件的一侧至少部分，优选完全被连接层覆盖。总的来说，因此得到与设置在连接层上的加强层相结合的另一种用来极其有效地防止所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面和壳体两者的遭受危险的边缘区域发生裂缝形成和/或裂缝扩展的改进可能方案。根据本发明的连接装置的一种有利改进方案规定，加强层的内边界至少部分(优选完全地)延伸至所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面内。在这种情况下，加强层的朝向所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面的一侧和连接面本身具有重叠的表面区域。特别有利的是，连接面在重叠区域中与加强层以材料连接的方式连接。以这种方式，所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面的边缘区域直接固定在加强层上，从而该元件的膨胀能力总地被限制为加强层的小的膨胀能力。因此，在最大程度上降低了在元件内的裂缝形成和扩展的风险。加强层优选要根据所选的连接层进行选取。这样，例如要注意，在连接层与加强层之间以及优选也在所述至少一个电气元件和/或电子元件的连接面和/或接合配对件之间能够以材料连接的方式形成连接。因此，通过加强层例如可以吸收由于所述至少一个电气元件和/或电子元件、连接层及接合配对件的不同膨胀特性引起的机械应力和/或热机械应力。对此，还要注意，加强层具有比连接层更大的弹性模量。根据本发明的连接装置的一种有利改进方案规定一种加强层，该加强层至少包含一种金属间相。金属间相具有大的共价键合份额。这产生大的弹性模量和高的熔化温度或者说分解温度，例如大于250℃，尤其是300℃以上。这在连接装置在所述至少一个电气元件和/或电子元件与接合配对件相接合时或者在运行中受到高温的情况下是特别有利的。以这种方式在高温下也可确保连接装置的可靠性。一种优选的根据本发明的连接装置具有连接层，该连接层包含至少一种金属，例如特别是由银构成的金属烧结连接部。此外，加强层由钎焊材料构成，特别是由锡基、铋基、锌基、镓基或者铝基的钎焊材料构成，其中，在对连接层和/或钎焊材料进行热处理之后，加强层包含至少一种金属间相或者由至少一种金属间相构成并且因此完全代替之前的钎焊材料。特别有利的是，连接层例如被实施为烧结成形件，并且钎焊层被设计成复合元件形式，该复合元件于是设置在所述至少一个电气元件和/或电子元件与接合配对件之间以形成根据本发明的连接装置。在这里，在复合元件内的钎焊层被实施为框架状并且设置在连接层上和/或与连接层邻接使得它的内边界限定连接层的侧向的面延伸范围。一个特别的优点表现在：复合元件可以与在连接装置内的使用无关地大量地事先进行制造。此外，可得到简单的操作以及可以相比较地配备任何电气元件和/或电子元件。热处理优选是根据所需的钎焊特性进行。因此，总的来说，得到一种特别简单且成本低廉的用来通过常用的连接材料和连接方法形成耐热的金属间相的可能方案。根据本发明的连接装置特别适用于例如由硅构成，特别是具有平面状连接面的半导体元件，例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、DIODEN(二极管)以及半导体芯片。这类元件借助于连接层例如固定在作为接合配对件的DBC基板(直接铜接合基板)、金属冲压格栅、有机或陶瓷电路载体或者IMS基板(绝缘金属基板)上。特别是作为烧结层的连接层优选具有10-500μm，特别是10-300μm，特别优选是10-100μm的层厚。加强层在层厚方面可以被实施为与连接层类似。如果选取钎焊层作为加强层，该钎焊层特别是应在热处理之后被至少一种金属间相代替，则较小的层厚是优选的，例如0.5-100μm，特别是0.5-60μm，特别优选为1μm-30μm。按照方法独立权利要求所述的根据本发明的接合方法以及在引用该权利要求的从属权利要求中所示的实施方式以简单且成本低廉的方式使得能够抵制在连接层和/或所述至少一个电气元件和/或电子元件内的裂缝形成和扩展。在这里，也可以使用尤其允许所形成的连接装置在高的工作温度下使用的常用连接材料。附图说明本发明的其它优点、特征及细节由随后对优选实施例的描述以及借助于附图给出。附图中：图1a以侧视图示意地示出了根据本发明的连接装置的第一实施方式，图1b以俯视图示意地示出图1a的实施方式，图2a以侧视图示意地示出了根据本发明的连接装置的第二实施方式，图2b以侧视图示意地示出了根据本发明的连接装置的第三实施方式，图2c以侧视图示意地示出了根据本发明的连接装置的第四实施方式。在附图中，功能相同的部件分别用相同的附图标记表示。具体实施方式图1a和1b示出了根据本发明的连接装置100的第一实施方式。为了形成连接装置100，提供电路基板40(例如DBC基板)。半导体芯片10与DBC基板以材料连接的方式连接。为此，半导体芯片10在朝向DBC基板的一侧上具有连接面11。连接面11例如用于半导体芯片10的电接触和/或用于半导体芯片的散热。为了以材料连接的方式形成连接，在连接面1与DBC基板40之间设置由银构成的烧结层20。为此，烧结层20例如可以呈膏状形式并且借助于已知的膏印刷方法涂覆在DBC基板40上。同样，烧结层20可以被设计成烧结成形件并且以随后呈固体且与连接面11匹配的形状放置到DBC基板40上。在该具体实施例中，烧结层20被设计成，使得朝向连接面11的上表面区域21延伸超出半导体芯片10的连接面11。如在图1b中的俯视图可见，该表面区域21一般在半导体芯片10的背面突出。此外，层厚为s(例如50μm)的锡基钎焊层30(例如由SnAg3.5或者由SnCu0.7构成)涂覆在该表面区域21上。以这种方式形成具有内边界35和外边界36的钎焊层30。钎焊层30的内边界35在这里延伸到连接面11。此外，半导体芯片10的壳体在背面在层厚s的高度上被钎焊层20包围。紧接着，对这样形成的装置，特别是烧结层20和/或钎焊层30进行热处理。热处理优选在钎焊层30的熔化温度的范围内进行。在烧结层20的烧结温度低于钎焊层30的熔化温度的情况下，由于热处理而启动烧结过程，由此半导体芯片10借助于烧结层20与DBC基板40以材料连接的方式连接。同时，通过热处理，烧结层20与钎焊层30之间的固体扩散过程开始进行。在这里，两个层20、30的金属和/或金属合金至少在边界区域中，也就是在表面区域21内混合，并且形成包含至少一种金属间相的加强层30’。在例如SnAg3.5作为钎焊材料的情况下，形成Ag3Sn作为金属间相。在例如SnCu0.7作为钎焊材料的情况下，不仅形成Ag3Sn而且还形成Cu6Sn5都作为金属间相。通过钎焊层30被实施为非常薄，例如为50μm，两个层20、30的金属和/或金属合金可以在热处理期间以非常深的程度扩散到钎焊层30中。优选地，选择热处理的时长，在该时长内，钎焊层30基本上被所形成的至少一种金属间相代替并且以这种方式总的来说形成加强层30’。为了简化起见，没有示出：所形成的金属间相一般也部分地延伸至烧结层20中。在图2a-2c中，示出了根据本发明的连接装置200、300、400的其它示例性实施方式。它们的主要区别在于钎焊层30和由其形成的加强层30’在连接装置200、300、400中的设置。在如图2a的根据本发明的连接装置200的第二实施方式中，钎焊层30在侧面与烧结层20邻接地被施加在DBC基板上。在这里，在热处理之后形成的加强层30’以材料连接的方式不仅与烧结层20连接而且与DBC基板连接。此外，内边界35限定烧结层20的侧向的面延伸范围。按照图2b的根据本发明的连接装置300的示例性的第三实施方式类似于第二实施方式。与第二实施方式不同，烧结层20在第三实施方式中被实施为基本上与半导体芯片10的连接面11或者说壳体齐平。另外，钎焊层30的层厚至少在半导体芯片10的壳体区域中被设计成，使得至少壳体的一个最小高度在背面被钎焊层30的一部分或者说在热处理之后被加强层30’包围。在如图2c的根据本发明的连接装置400的示例性的第四实施方式中，钎焊层30集成在烧结层20内。在这里，钎焊层30的朝向连接面11的一侧面平面地与烧结层20齐平，烧结层至少在钎焊层30的层厚s上由钎焊层的内边界35限定。此外，钎焊层30的背向连接面的一侧被烧结层20覆盖。在热处理之后，所形成的加强层30’以材料连接的方式不仅与烧结层20而且与延伸到连接面11中的表面区域连接。一般地，还有其它实施方式是可行的，这些实施方式例如是前面描述的实施方式的组合或者变型。另外，钎焊层原则上也可以在以材料连接的方式形成电气元件和/或电子元件(例如半导体芯片10)与接合配对件(例如DBC基板40)的连接之后才进行涂覆和/或设置。将钎焊层30施加到形式为烧结成形件的烧结层20或者将钎焊层30设置成在侧面与连接层20邻接，使得钎焊层30以它的内边界35限定连接层20的侧向的面延伸范围，这也可以在形成连接装置100、200、300、400之前在形成复合元件的条件下就已完成。在这种情况下，复合元件设置在所述至少一个电气元件和/或电子元件(例如半导体芯片10)与接合配对件(例如DBC基板)之间，并且紧接着进行热处理以形成加强层30’。一般也可行的是，规定包含至少一种金属的连接层20作为钎焊层，该钎焊层例如由锡基、铋基、锌基、镓基或者铝基的软钎焊料构成。同样，一般地，加强层30’可由特别是含有锡、银、铜、锌、铋、镓和/或铝的金属层构成，该金属层例如通过化学和/或物理的涂层方法进行涂覆。原则上，可以选取用于连接层20和加强层30’的材料，使得由于热处理和同时在两个层20、30之间进行的扩散过程，加强层30’包含至少一种金属间相。