用于功率电子电路的基材及其生产工艺的制作方法

1.本发明描述了一种功率电子电路，所述功率电子电路具有片状绝缘体并且具有其上设置有片状金属导体迹线的第二主面并且具有其上设置有片状金属叠层的第一主面。在该上下文中的通用基材是已知的，特别是以dcb(直接铜键合)基材及其衍生物的形式已知。当这些基材采用多个面板的形式时，已知的布置是金属叠层的第一部分叠层和第二部分叠层设置在绝缘体的外边缘处或附近，其中两个部分叠层通过到达第一主面的沟槽彼此分开。本发明另外描述了用于所述基材的一种特定布置的生产工艺。


背景技术：

2.de 43 19 944 a1公开了一种这种类型的通用多层基材，其具有陶瓷层，该陶瓷层形成至少两个相互邻接的凹槽，这些凹槽彼此连接成一体，并且每个凹槽在陶瓷层的至少一个表面侧上设置有至少一个金属化或金属区域，并且还公开了一种用于通用多层基材的生产的工艺。
3.此外，ep 0 330 895 a2公开了一种用于通过压力烧结工艺将电子部件(更具体地，功率半导体)固定在基材上的设备，其中待接合的区域在烧结温度下被压缩，其中以不小于900n/cm2内插金属粉末糊剂。如果具有结构化顶面的部件与由可弹性变形材料(例如硅橡胶)制成的主体一起插入到接收室中，则它们可以被压力烧结，该接收室由可移动冲头封闭并且其传递烧结压力，其中当已经达到烧结压力时，可变形主体完全填充接收室的剩余内部。
4.当在上述工艺中使用上述多层基材以用于例如功率半导体部件在这种基材的导体迹线上的材料结合固定时，特别地出现以下不利情况：在其背离导体迹线的第一主面上，基材的绝缘体包括片状金属叠层，其中第一部分叠层和第二部分叠层邻近绝缘体的外边缘设置，并且其中两个部分叠层通过沟槽从彼此分离。被称为烧结垫的可变形主体在该过程中在所施加的压力下转变为类似于液化状态的具有高粘度的状态。因此，烧结垫变得粘弹性并且能够穿透沟槽。在压力施加结束之后，烧结垫的一部分保留在该沟槽中，导致烧结垫损坏。这种机制限制了烧结垫的使用寿命，即限制了可能使用的次数。
5.在认识到现有技术和所概述的不利情况的情况下，本发明基于用于功率电子电路的基材的前展开发的目的以及还有基材的特定生产工艺，使得当结合配体烧结结合到该基材时，烧结垫在很大程度上受到保护免受损坏。


技术实现要素：

6.根据本发明，该目的通过一种用于功率电子电路的基材来实现，该基材具有片状绝缘体，并且具有其上设置有片状金属导体迹线的第二主面并且具有其上设置有片状金属叠层的第一主面，其中第一部分叠层和第二部分叠层设置在绝缘体的外边缘处或附近，并且其中两个部分叠层通过优选地到达第一主面的沟槽至少部分地从彼此分离，并且其中所述沟槽包括坝(dam)，在这种情况下，沟槽部分地填充有坝材料，以留下剩余沟槽，该布置满
足以下条件：
7.a)在沟槽方向上观察，坝材料的最大横截面积为沟槽的净横截面积的至少30％；
8.b)在沟槽方向上观察，坝材料的长度至少为沟槽净深度的50％；
9.或者所述沟槽包括沟槽结构，其中沟槽具有不大于最大横截面积的50％的净通道面积或者不具有这样的净通道面积；
10.或所述沟槽包括由坝和沟槽结构组成的混合形式。
11.术语“沟槽”在本文和下文中旨在指代两个部分金属化部之间的假想间隙，其在绝缘体的方向上从部分金属化部的背离绝缘体的相应表面的相邻部分到达，并且其在空间上将两个部分金属化部从彼此分开。“坝”则是用坝材料对这种沟槽的部分填充(在纵向方向或沟槽方向上观察)。作为用坝材料填充沟槽的结果，沟槽的实际剩余部分即总是存在的剩余沟槽保留。术语“净横截面面积”旨在表示沟槽的面积，更确切地是如在沟槽方向上观察时的剩余沟槽的面积，其由绝缘体的第一主面、沟槽的两个侧壁和邻接侧壁的部分叠层的两个表面的假想连接线形成。沟槽的“净深度”、更确切地剩余沟槽的“净深度”旨在指代两个相等厚度的部分叠层的表面距绝缘体的第一主面的垂直距离。“净通道面积”旨在意味着在沟槽方向上观察导致在沟槽入口(即，在绝缘体外边缘处的沟槽开口)上的投影的横截面面积。
12.一方面，如果坝材料构造为第一坝材料，该第一坝材料构造成与部分叠层的材料相同，则可能是有利的，并且有利地，两个部分叠层和第一坝材料构造成一体。因此，在这种情况下，这种布置具有部分非真实沟槽。因此，即使在生产期间，两个部分叠层也绝不是两件。相反，存在于部分叠层之间的间隙已经通过下文尚要描述的工艺更具体地构造。另一方面，如果坝材料构造为第二坝材料，其构造与两个部分叠层的材料不同并且其具有金属或非金属构造，优选为塑料，优选为环氧树脂，则可能是有利的。
13.具体地，如果最大横截面积为沟槽的净横截面积的至少50％，更特别地至少80％，或100％，则可能是优选的。
14.如果在沟槽方向上观察，坝材料的长度不超过沟槽长度的50％，优选不超过沟槽长度的30％，则也是优选的。
15.基本上，优选的是，坝材料的外边缘在每种情况下直接与第一和第二部分叠层的邻接外边缘对齐。备选地，优选的是，在每种情况下，坝材料的外边缘相对于两个部分叠层的邻接外边缘以不超过沟槽的净深度的十倍缩回到沟槽中。
16.如果两个部分叠层的与沟槽相邻的相应外边缘与绝缘体的相关外边缘对齐，则基本上是有利的。备选地，如果两个部分叠层的与沟槽相邻的相应外边缘相对于绝缘体的相关联的外边缘以不超过两个部分叠层的厚度(其对于两个部分叠层是相同的)的十倍，更特别地五倍缩回，则可能是有利的。
17.更特别地，如果沟槽结构选自以下局部结构中的一个或组合，则可能是有利的：
18.a)具有蛇形轮廓的局部结构；
19.b)具有弓形或s形轮廓的局部结构；
20.c)具有一个或多个局部凹口的局部结构；
21.d)具有圆锥形轮廓的局部结构。
22.在这种情况下，如果通过构造金属叠层的至少一个部分叠层来形成沟槽结构，则
可能是有利的。另外，如果沟槽结构恒定地具有对应于金属叠层的厚度并且因此直接达到绝缘体，则可能是有利的。
23.该目的另外通过一种用于生产基材的方法来实现，该方法包括以下相继的方法步骤：
24.·
提供初始基材，所述初始基材具有片状绝缘体并具有第一主面，片状金属叠层设置在所述第一主面上；
25.·
金属叠层的结构化，其中在绝缘体的边缘部分上周围形成边缘叠层，边缘叠层包括在不少于一个点处的剩余沟槽，并且包括由第一部分叠层形成的部分，第一部分叠层一体地过渡到第一坝材料内，第一坝材料又一体地过渡到第二部分叠层内。
26.在这种情况下，如果通过湿法蚀刻或通过机械加工工艺，更特别地通过铣削进行结构化，则可能是有利的。
27.将领会到的是，除非明确排除或本身排除或与本发明的概念冲突，否则在每种情况下以单数形式陈述的特征，特别是坝或沟槽结构，可能在本发明的基材中以多个存在。
28.应当理解，本发明的各种布置可以单独实现或以任何期望的组合实现，以便实现改进。特别地，在不脱离本发明范围的情况下，上文和下文陈述和解释的特征不仅可以以指定的组合使用，而且可以以不同的组合使用或单独使用，而不管它们是在基材的上下文中描述还是在生产工艺的上下文中描述。
附图说明
29.从图1至图6中示意性地表示的本发明的示例性实施例或其相应部分的以下描述中，本发明的进一步解释、有利的细节和特征是显而易见的。
30.所有附图都遵循以下方向指示：
31.·
x-方向：对应于沟槽的方向-沟槽方向-如从绝缘体的边缘观察的那样。“长度”平行于该方向确定。
32.·
y-方向：对应于在平行于绝缘体的第二主平面的平面中垂直于x-方向。“宽度”平行于该方向确定。
33.·
z-方向：对应于绝缘体的法线方向。“深度”以及还有“厚度”平行于该方向确定。
34.图1示出了示意性表示的本发明的基材的平面视图。
35.图2以平面视图和两个相关的截面图示出了本发明的基材的第一布置的细节。
36.图3以平面视图和两个相关的截面图示出了本发明的基材的第二布置的细节。
37.图4以平面视图和两个相关的截面图示出了本发明的基材的第三布置的细节。
38.图5以平面视图和两个相关截面图示出了本发明的基材的第四布置的细节。
39.图6以平面视图示出了本发明的基材的第五布置的不同变型。
具体实施方式
40.图1示出了本发明的基材1的平面视图，其示意性地表示用于通过压力烧结工艺生产的功率电子电路。本领域中常规的这种基材1包括片状绝缘体2，在此由工业陶瓷构成，例如但一般性不限于氧化铝。在本领域中，特别是由氮化铝和氮化硅组成的陶瓷也是常规的。该片状绝缘体2具有300微米的厚度和150平方毫米的面积。
41.设置在绝缘体2的第一主面20上的是金属叠层3，其由金属层(当前为铜层)构成。在基材1的生产期间，该铜层作为单层、整个层或仅留下边缘区域的层施加，并且随后被结构化。这种结构化优选通过湿化学蚀刻进行。
42.所示的基材1在此被细分为多个区域。它具有四个中心区域100，每个中心区域100包括片状金属叠层30，并且旨在通过划分基材1来形成具有不可见的第二主面的单独的部分基材，导体迹线设置在第二主面上，导体迹线基本上具有与第一主面20的金属叠层3相同的技术配置。这些导体迹线被配置为填充有功率电子部件并且被导电地连接，并且因此形成本领域中常规的功率电子电路。用于形成导电连接的非常合适的工艺是压力烧结工艺。
43.对于相应部分基材的分割，在本领域中，对于绝缘体2而言，通常优选地通过激光束在仅部分表示的预定断裂线202、204处弱化，然后断裂。
44.另外，绝缘体2的第一主面20包括第一和第二部分叠层4、5，第一和第二部分叠层4、5围绕在分割之后存在的部分基材的金属叠层30延伸，并且还围绕边缘区域延伸。这些部分叠层4、5与在分割之后存在的部分基材的金属叠层30一起且以相同的方式产生。
45.通常，在本领域中，这些部分叠层4、5中的每一个都有两个。相应的第一部分叠层4和第二部分叠层5通过沟槽6从彼此分开。然而，如上所述，这些沟槽在压力烧结工艺中是特别不利的。
46.在此仅作为示例表示的是本发明的坝7的布置，通过该坝7从沟槽6在一个部分中配置剩余沟槽66。坝7的坝材料70被构造为第二坝材料74，当前为环氧树脂。此外，仅通过示例的方式，圆锥形沟槽结构9被表示在两个部分叠层之间。
47.这些部分叠层4、5基本上用于在处理操作期间稳定基材1，并且仅在上述激光束旨在作用在绝缘体2上的位置处被中断或形成沟槽6。此外，如上所述，中断部或沟槽6在压力烧结连接的情形下是不利的，因为烧结垫可能穿透到沟槽中并且在那里被损坏。
48.图2以类似于图1的平面视图以及沿线a和b的两个相关截面图示出了本发明的基材1的第一布置的细节。示出了基材1的角部分，以及第一和第二部分叠层4、5。第一部分叠层4设置在绝缘体2的边缘区域中的窄侧上，参见图1，而第二部分叠层5设置在绝缘体2的边缘区域中的长侧上，再次参见图1。因此，在现有技术中存在于两个部分叠层4、5之间的沟槽6在这种布置的情况下被部分地填充，并且形成剩余沟槽66。
49.为此目的的坝材料70是第一坝材料72。该第一坝材料72与部分叠层4、5的材料相同，并且因此实际上从未形成如现有技术中已知的完整沟槽6。相反，当形成部分叠层4、5时，沟槽6未完全形成；相反，在两个部分叠层4、5之间留下金属层(当前是铜层)的剩余物，因此实际上仅形成剩余沟槽66。因此，两个部分叠层4、5与第一坝材料72一体地形成并连接到彼此。
50.在该布置中，坝材料70的外边缘702在每种情况下直接与金属叠层4、5的邻接外边缘402、502对齐。因此，在沟槽方向600上观察，没有沟槽6并且也没有可见的剩余沟槽66。相反，剩余沟槽66由部分叠层4、5的面向内部区域的一侧组成。
51.在沟槽方向600上观察，坝材料70、72的横截面区域800与沟槽6或剩余沟槽66的净横截面区域820相同。这意味着第一坝材料72的厚度也与两个邻接的部分叠层4、5的厚度相同。另外，在沟槽方向600上观察，坝材料70的长度802是沟槽6或剩余沟槽66的净深度824的至少50％。因此，在沟槽6的净深度对应于金属叠层3的铜层的厚度并且因此也对应于部分
叠层4、5的厚度的情况下，在这种布置中沟槽6的净深度为400微米，第一坝材料72的长度802必须至少为200微米。为了在绝缘体2的第一主面20的上述激光加工的情况下不是不必要的不利的，第一坝材料72的长度802当前是沟槽6的长度822的30％，沟槽6的长度822当前从外边缘702到达剩余沟槽66的端部，并且在该布置中为1.8毫米。这意味着坝材料72的长度802为0.6毫米。甚至更短的长度802当然是有利的。仅需要确保坝材料70、72在作为压力烧结连接的一部分经受压力时不会显著变形，坝材料70、72显著变形又会伴随烧结垫的损坏。
52.图3以平面视图和沿线a和b的两个相关截面图示出了本发明的基材1的第二布置的细节。该布置与图2的布置的不同之处首先在于，在此的坝材料70是第二坝材料74，更确切地是环氧树脂，其在片状金属叠层3以及连接到其的第一和第二部分叠层4、5的构造的结构化之后，已经填充到所得到的连续沟槽6中。在这种情况下，第二坝材料74在其深度824方面也不完全填充沟槽6，因此在此的坝材料的最大横截面积800是沟槽6的净横截面积820的70％。在此考虑的横截面积是最大面积，换言之，第二坝材料70、74的具有最大横截面的部分。在沟槽方向600上观察，该部分位于填充有第二坝材料74的沟槽部分的中心。在其前面或后面，由于技术原因(由于用环氧树脂填充)，横截面积当然较低。
53.这种布置与图2的布置的第二个不同之处在于，坝材料70、74的外边缘702不与第一和第二部分叠层4、5的相应相互邻接的外边缘402、502对齐。相反，坝材料70、74的外边缘702在每种情况下相对于第一和第二部分叠层4、5的边界外边缘402、502以沟槽6的净深度824的五倍缩回到沟槽6中。
54.图4以平面视图和沿线a和b的两个相关截面图示出了本发明的基材1的第三布置的细节。与根据图2的布置相反，第一和第二部分叠层4、5在此设置在基材1的公共纵向侧上。第一部分叠层4、第一坝材料72和第二部分叠层5的其它布置在此与根据图2的布置相同。
55.此外，在此并且与已知的现有技术相反，金属叠层4、5的与沟槽6相邻的相应外边缘402、502相对于绝缘体2的相关联的外边缘22仅以部分叠层4、5的厚度824的三倍缩回。这总体上防止了在作为压力烧结过程的一部分的烧结操作中由烧结垫对基材1的显著底切。
56.图5以平面视图和沿线a和b的两个相关截面图示出了本发明的基材1的第四布置的细节。与根据图3的布置相反，第一和第二部分叠层4、5在此设置在基材1的公共纵向侧上，因此第一和第二部分叠层4、5的与沟槽6相邻的相应外边缘402、502与绝缘体2的相关外边缘22对齐。第一部分叠层4和第二部分叠层5的其他布置在此与根据图2的布置相同，但是第一部分叠层4和第二部分叠层5的与沟槽6相邻的相应的外边缘402、502以及在此实际上整个相应的外边缘402、502与绝缘体的相关联的外边缘22对齐。这完全防止了在烧结操作中由烧结垫在第一部分叠层4和第二部分叠层5的区域中对基材1的底切。
57.第二坝材料74在此构造为硅橡胶，其形成液滴状横截面面积800。
58.因此，如果不仅坝材料70的外边缘702而且第一和第二部分叠层4、5的外边缘402、502与绝缘体2的相关联的外边缘22对齐，则产生第一和第二部分叠层4、5和坝材料70的布置的理想解决方案，因此防止了在烧结操作中由烧结垫对基材1的任何底切。
59.图6以平面视图示出了本发明的基材1的第五布置的不同变型。在两个相邻的部分叠层之间表示沟槽6的七个变型。第一变型i示出了现有技术，即沟槽6，沟槽6的横截面面积
在其整个长度上不改变，并且特别是在构造上是矩形的，这意味着净通道面积810与净横截面面积820相同。根据本发明在变型ii至vii中开发了这种布置，其中在沟槽方向600上并且更具体地在绝缘体2的第一主面20上的投影中观察，沟槽6的至少一个侧面不具有线性轮廓。
60.变型ii示出了弓形轮廓，其也可以形成为s形，其中在此可以根据需要配置相应的单独的局部曲率半径。在这种情况下，如在沟槽方向600上观察的那样，沟槽入口610和沟槽出口620对齐。利用这种布置，由于垂直于沟槽方向600的沟槽6的下侧的凹口大于沟槽6在沟槽入口610处的宽度，因此净通道面积810为零。
61.变型iii示出了沟槽6的弯曲轮廓，其被配置为在这种情况下，在沟槽方向600上观察，沟槽入口610和沟槽出口620彼此不对齐；相反，沟槽入口610和沟槽出口620实际上彼此偏移大于垂直于沟槽方向600的沟槽宽度。利用这种布置，净通道面积810再次为零。
62.变型iv示出了沟槽6的圆锥形轮廓，其在沟槽方向600上延伸。在这种情况下，沟槽入口610的中心和沟槽出口620的中心彼此对齐。利用这种布置，在此在沟槽入口610处存在净通道面积810，该净通道面积810小于在此特别存在于沟槽出口620处的净横截面面积820的一半。
63.变型v示出了当垂直于沟槽方向600观察时具有彼此相对设置的两个凹口的沟槽6的轮廓。利用这种布置，同样存在小于净横截面面积820的一半的净通道面积810。原则上，作为在此描述的布置的替代或补充，这种凹口也可以通过与图3和图5描述的坝7相当的部分引入的坝材料70来构造。在这种情况下，在凹口区域中，坝材料70将完全覆盖绝缘体的第一主面的相关联部分，但仅在沟槽的边缘区域中。
64.变型vi示出了当垂直于沟槽方向600观察时具有不相对彼此设置的多个凹口的沟槽6的轮廓。在这种布置中，再次存在小于净横截面面积820的一半的净通道面积810。
65.变型vii示出了具有蛇形轮廓的非常简单的布置的沟槽6。蛇形结构当然也可以具有更复杂的构造。利用这种布置，存在为净横截面面积820的三分之一的净通道面积810。