專利名稱：復(fù)合部件以及用于制造復(fù)合部件的方法
復(fù)合部件以及用于制造復(fù)合部件的方法
現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1的前序部分所述的包括第一和至少一個第二接合對象的復(fù)合部件。第一接合對象優(yōu)選是電子元件，尤其是功率半導(dǎo)體或尤其是被裝配了的、最好被用功率半導(dǎo)體裝配了的電路板，并且第二接合對象是散熱器。此外，本發(fā)明涉及一種用于制造按照權(quán)利要求13的前序部分所述的復(fù)合部件的方法?，F(xiàn)今應(yīng)用于汽車的、具有高損耗功率的電路，如功率電路或在DBC襯底或AMB襯底上的B橋電路，H橋電路，利用導(dǎo)熱粘合劑被連接到散熱器上。電路的半導(dǎo)體的耗散熱量通過電路板和形成接合點的導(dǎo)熱粘合劑被引導(dǎo)到底座板或外殼，以便將熱量從至少一個電子元器件中排出并且由此使該元器件合適地冷卻。而底座板或外殼可以被動地或主動地尤其是通過流到的介質(zhì)冷卻。上述復(fù)合部件的缺陷是，由導(dǎo)熱粘合劑形成的接合層在較短時間的脈沖負(fù)荷下就已經(jīng)顯示出明顯的散熱瓶頸。對此一個替代方案是將被裝配了的電路板借助于釬焊材料連接到散熱器(熱沉)上，該釬焊材料具有比導(dǎo)熱粘合劑更高的導(dǎo)熱能力。但是在此處的缺陷是，由于復(fù)合部件在運行中的熱機械負(fù)荷可能出現(xiàn)釬焊的分裂。其結(jié)果是， 由于壽命上的要求，利用釬焊材料的連接常常是沒有意義的或者僅僅在很小的面積上可以經(jīng)釬焊材料進行連接。發(fā)明的公開
因此本發(fā)明的目的在于提出一種復(fù)合部件，它的特征在于具有良好的耐溫度變化性能和/或散熱性能。此外目的在于提出一種用于制造耐溫度變化的復(fù)合部件的方法。這個目的在復(fù)合部件方面通過權(quán)利要求1的特征解決而在方法方面通過權(quán)利要求13的特征解決。本發(fā)明的有利的改進方案在從屬權(quán)利要求中給出。本發(fā)明的有利的改進方案在從屬權(quán)利要求中給出。由在說明書、權(quán)利要求書和/或附圖中公開的特征中的至少兩個特征組成的全部組合落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。為了避免重復(fù)，按照裝置公開的特征應(yīng)該認(rèn)為也按照方法被公開和可以要求權(quán)利。同樣按照方法公開的特征應(yīng)該認(rèn)為也按照裝置被公開和可以要求權(quán)利。本發(fā)明基于的構(gòu)思在于，兩個接合對象不是象現(xiàn)有技術(shù)中那樣用一個惟一的接合層相互連接起來，而是用至少兩個，最好只用兩個，接合層相互連接起來，在該接合層之間布置至少一個，最好只有一個，另外的層，即中間層。在此情況下，該接合層的目的是將各相應(yīng)的接合對象牢固地與中間層連接，并且用于接合對象在中間層上的必要的電的和/或機械的和/或熱的連接。優(yōu)選這樣地選擇中間層，使得它的熱膨脹系數(shù)很小，以便由此優(yōu)化復(fù)合部件的耐溫度變化性能。更特別優(yōu)選地，中間層的膨脹特性至少近似地對應(yīng)于至少其中一個接合對象的膨脹特性，最好是一個尤其是在它的電路側(cè)上的半導(dǎo)體的膨脹特性，其中膨脹系數(shù)的差也是可以接受的，但是該差應(yīng)該盡可能小。通過設(shè)置具有小的熱膨脹系數(shù)的中間層，該膨脹系數(shù)最好類似于其中一個接合對象的熱膨脹系數(shù)，使復(fù)合部件的耐溫度變化性能提高。此外產(chǎn)生對熱量脈沖的附加的支撐。更特別優(yōu)選地，如后面還要詳細(xì)說明的， 至少其中一個接合層，更特別優(yōu)選地，兩個接合層，是燒結(jié)層，尤其是具有金屬的燒結(jié)顆粒的燒結(jié)層，以保證接合對象在最好是導(dǎo)電的和/或?qū)岬闹虚g層上的電的，熱的和機械的連接。作為中間層，例如可以應(yīng)用硅。本發(fā)明例如可以應(yīng)用于電伺服轉(zhuǎn)向機構(gòu)的功率末級，應(yīng)用于通用逆變器單元的功率末級，尤其是在混合動力機動車應(yīng)用或電動機動車應(yīng)用中，應(yīng)用于DC/DC轉(zhuǎn)換器中的功率電路，其尤其用于混合動力應(yīng)用中、在調(diào)節(jié)器電子機構(gòu)中，尤其是在起動器/發(fā)電機上； 應(yīng)用于發(fā)電機銘牌上的壓入式二極管，應(yīng)用于高溫穩(wěn)定的半導(dǎo)體，如例如碳化硅，或也可以應(yīng)用于在高溫下工作并且需要靠近傳感器的評價電子機構(gòu)的傳感器，以及應(yīng)用在用于光電設(shè)備上的逆變器的模塊中。另外的應(yīng)用也是可能的。如開頭已述，在本發(fā)明的改進方案中有利地規(guī)定，中間層的熱膨脹系數(shù)至少近似地對應(yīng)于第一和/或第二接合對象的熱膨脹系數(shù)。更特別優(yōu)選地，中間層的熱膨脹系數(shù)對應(yīng)于一個用作接合對象的電部件和/或電子部件，最好是半導(dǎo)體，更特別優(yōu)選地是功率半導(dǎo)體，進一步優(yōu)選地是在它的電路側(cè)上的部件。更進一步優(yōu)選地，中間層材料對應(yīng)于該電部件和/或電子部件的該材料或某種材料。特別有利的是兩個接合對象只經(jīng)三層相互連接起來，即直接地接觸第一接合對象的第一接合層，直接地接觸第二接合對象的第二接合層和布置在接合層之間的中間層。尤其是當(dāng)至少其中一個接合層，最好兩個接合層，設(shè)計成燒結(jié)層時，優(yōu)選使中間層在橫向上被結(jié)構(gòu)化，以便由此總是僅僅將限制的面連接到至少一個金屬的燒結(jié)層上。由此可以將受溫度變化限制的機械的應(yīng)力減小到最小。針對中間層在橫向上的結(jié)構(gòu)化，可以附加地或備選地將第一和/或第二接合層在橫向上結(jié)構(gòu)化。更特別優(yōu)選地，中間層和/或第一和/或第二接合層在已經(jīng)被結(jié)構(gòu)化下施加，更特別優(yōu)選地在相互在橫向上相間隔的表面區(qū)段中。進一步優(yōu)選的是，第一和/或第二接合層和/或中間層這樣地被結(jié)構(gòu)化，使得在各相應(yīng)的層的結(jié)構(gòu)區(qū)段之間形成至少一個冷卻槽道，最好是冷卻槽道網(wǎng)，其合適并且用于通過該冷卻槽道網(wǎng)可以引導(dǎo)冷卻流體，尤其是冷卻氣體或冷卻液體，以便以此方式從復(fù)合部件中附加地排出熱量。在此情況下更特別優(yōu)選的是冷卻槽道或冷卻槽道網(wǎng)在中間層內(nèi)部在中間層的結(jié)構(gòu)區(qū)段之間形成。換言之，至少其中一個連接層這樣地被結(jié)構(gòu)化，即形成空腔， 通過這些空腔可以引導(dǎo)冷卻流體，以便從整個結(jié)構(gòu)中排出熱量。在最簡單的情況下該流體可以是一種氣體。采用冷卻液體進行通流具有優(yōu)點，即每單位時間能夠吸收更多的熱量數(shù)量。在本發(fā)明的改進方案中有利地規(guī)定，設(shè)置用于對冷卻槽道和/或冷卻槽道網(wǎng)施加流體的機構(gòu)。此時在最簡單的情況下可以涉及一種風(fēng)扇裝置，通過它將空氣鼓吹和/或抽吸通過冷卻槽道或冷卻槽道網(wǎng)。在設(shè)置冷卻液體的情況下，優(yōu)選的是，用于加載冷卻槽道和 /或冷卻槽道網(wǎng)的機構(gòu)包括至少一個泵。在接合層的構(gòu)造上具有不同的可能性。如開頭已述，特別優(yōu)選的是，至少其中一個接合層，最好兩個接合層，構(gòu)造成燒結(jié)層，尤其是具有金屬的燒結(jié)顆粒的燒結(jié)層，以便由此實現(xiàn)接合對象在中間層上的最佳的熱連接和電連接。附加地或備選地，至少其中一個接合層可以構(gòu)造成粘接劑層或焊料層，尤其是在使用無鉛焊料下。也可以將中間層設(shè)計成通過合金制造的梯度層或通過焊接產(chǎn)生的層。更特別優(yōu)選的是，至少其中一個層，即第一和/或第二接合層和/或中間層，被微型結(jié)構(gòu)化和/或被納米結(jié)構(gòu)化，從而實現(xiàn)例如棱錐體結(jié)構(gòu)， 槽道或類似結(jié)構(gòu)，如其例如應(yīng)用于太陽能電池中作為光阱(Lichtfallen)，以便擴大向冷卻流體傳熱的面積。也可以將接合對象，最好是散熱器，宏觀(粗視)地結(jié)構(gòu)化，以便改善導(dǎo)熱性。特別有利的是一種實施形式，其中在第一和/或第二接合層和/或(這是優(yōu)選的) 在中間層中安置至少一個傳感器，更優(yōu)選的是溫度傳感器。該溫度傳感器此時不是直接地在接合對象的，尤其是半導(dǎo)體的最熱位置上測量溫度，而是在其下面測量。這具有優(yōu)點，即可以在電路板上實現(xiàn)位置的節(jié)省和/或可以取消附加的昂貴的半導(dǎo)體面。更特別優(yōu)選的是，至少一個傳感器，最好溫度傳感器，借助于貫穿接通(鍍通孔)與接合對象，尤其是與電路板，導(dǎo)電連接。更特別優(yōu)選的是復(fù)合部件的一種實施形式，其中第一接合對象是或者包括電子部件，尤其是半導(dǎo)體元器件，最好是功率半導(dǎo)體元器件。更特別優(yōu)選地，它涉及被用至少一個電子部件裝配了的電路板，它更優(yōu)選地直接地經(jīng)第一接合層與中間層連接。進一步優(yōu)選的是，第二接合對象是散熱器，尤其是底座板，冷卻體或外殼，其中更優(yōu)選的是，該第二接合對象直接經(jīng)第二接合層與中間層連接，該中間層更特別優(yōu)選地由硅制成。本發(fā)明還涉及一種制造復(fù)合部件，最好如前述的構(gòu)造的復(fù)合部件的方法。該方法的特征在于，至少兩個，最好僅兩個接合對象經(jīng)至少三個層，最好僅三個層，即第一和第二接合層以及布置在其之間的中間層被相互接合起來。如前面依據(jù)復(fù)合部件所述，在接合層的構(gòu)造上具有不同的可能性。例如至少其中一個接合層可以設(shè)計成燒結(jié)層，粘接劑層或焊料層。而且就將這些層施加到至少其中一個接合對象上而言也具有不同的可能性。例如可以考慮一種實施形式，其中至少三個層，最好只有三個層被前后相繼地涂覆到其中一個接合對象上，隨后將另外的接合對象施加到該三個層上。也可以設(shè)想為每個接合對象配置一個接合層，隨后在其中一個接合層上涂覆中間層。關(guān)于該方法的有利的實施形式和改進方案，參見前面對復(fù)合部件的說明，由該說明中可以推導(dǎo)出該方法的有利的實施例。本發(fā)明的其它的優(yōu)點，特征和細(xì)節(jié)由下面對優(yōu)選實施例的說明以及依據(jù)附圖得
出ο附圖中所示


圖1:具有未被結(jié)構(gòu)化的接合層以及未被結(jié)構(gòu)化的中間層的復(fù)合部件的第一實施例， 圖2:復(fù)合部件的一種替代實施例，其中中間層在橫向上被結(jié)構(gòu)化， 圖3-圖5:將第一和/或第二接合層和/或中間層結(jié)構(gòu)化的不同的結(jié)構(gòu)化形式和圖6:復(fù)合部件的另一個替代實施例，其中在中間層中設(shè)置傳感器，該傳感器被穿過第一接合層地貫穿接通，也就是說，與第一接合對象導(dǎo)電連接。在附圖中，相同的元件和具有相同的功能的元件用相同的標(biāo)記表示。圖1中示出了復(fù)合部件1的第一實施例?？梢钥匆娊?jīng)一個層結(jié)構(gòu)被以機械、熱或電的方式相互連接起來的第一和第二接合對象2，3。第一接合對象2例如是被裝配了至少一個功率半導(dǎo)體的電路板，第二接合對象3例如是散熱器，尤其是底座板，冷卻體，由底座板和冷卻體構(gòu)成的組合體和/或外殼?？梢钥匆娗笆龅膶咏Y(jié)構(gòu)位于兩個接合對象2，3之間。該層結(jié)構(gòu)由第一接合層4，直接地接觸第一接合層4的中間層5組成，該中間層又直接地接觸第二接合層6，該第二接合層又將第二接合對象3直接地與中間層5連接。兩個接合層4，6優(yōu)選是相同構(gòu)造的，但是依據(jù)應(yīng)用目的，也可以是不同構(gòu)造的。優(yōu)選不僅第一而且第二接合層，4，6都是具有金屬的燒結(jié)顆粒的燒結(jié)層。中間層5，它在所示的實施例中由硅制成，其特征在于，它的熱膨脹系數(shù)對應(yīng)于與電路板連接的、在電路側(cè)面上的半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)。按照圖2的復(fù)合部件1與前述的和在圖1中示出的復(fù)合部件1的區(qū)別在于，中間層5在橫向上這樣地被結(jié)構(gòu)化，使得在在橫向上相間隔的結(jié)構(gòu)區(qū)段7之間形成空腔8，這些空腔相互連接成網(wǎng)并且由此形成冷卻槽道網(wǎng)9，通過它可以引導(dǎo)冷卻流體，尤其是冷卻氣體或冷卻液體。這些結(jié)構(gòu)區(qū)段7選擇得越小，絕對連接面積就越小并且耐溫度變化性能就越好。圖3至5非窮舉地示出了使連接層結(jié)構(gòu)的層之一的結(jié)構(gòu)化的不同的可能性。優(yōu)選位于中間的中間層5被這樣結(jié)構(gòu)化?？梢钥匆?，在按照圖3所示的實施例中，結(jié)構(gòu)區(qū)段7設(shè)計成正方形輪廓并且布置在規(guī)則的排和列中。在按照圖4所示的實施例中，結(jié)構(gòu)區(qū)段7是矩形輪廓的，即具有比寬邊更大的長邊延伸長度并且以磚墻圖案的形式布置。在按照圖5所示的實施例中，結(jié)構(gòu)區(qū)段7是以六邊形形式(蜂窩形)構(gòu)造輪廓和布置的。圖6示出了復(fù)合部件1的另一個替代的實施例，包括第一和第二接合對象2，3，它們經(jīng)一個層結(jié)構(gòu)相互連接起來，該層結(jié)構(gòu)包括第一和第二接合層4，6以及以夾芯層的方式容納在其之間的中間層5。如按照圖2的實施例中那樣，中間層5這樣地被結(jié)構(gòu)化，使得在在橫向上相間隔的結(jié)構(gòu)區(qū)段之間7形成冷卻槽道網(wǎng)9，通過它可以引導(dǎo)冷卻流體。按照圖6 的實施例的特征在于，在中間層5中集成有設(shè)計成溫度傳感器的傳感器10，它借助于貫穿接通(鍍通孔)11與第一接合對象2導(dǎo)電連接。借助于傳感器10可以測量尤其是監(jiān)控第一接合對象2的溫度。在需要時，設(shè)計成散熱器的第二接合對象3可以被宏觀地結(jié)構(gòu)化(沒有示出)，以便可以改善溫度(熱量)的傳導(dǎo)。優(yōu)選第二接合對象3為此包括冷卻肋。
權(quán)利要求
1.復(fù)合部件，包括第一接合對象O)，包括至少一個第二接合對象C3)和包括第一，布置在第一接合對象( 和第二接合對象C3)之間的第一接合層G)，其特征在于，除了第一接合層以外，還在第一和第二接合對象(2，；3)之間設(shè)置至少一個第二接合層(6)，并且在第一和第二接合層(4，6)之間布置至少一個中間層(5)。
2.按照權(quán)利要求1所述的復(fù)合部件，其特征在于，中間層(5)的熱膨脹系數(shù)至少近似地對應(yīng)于第一和/或第二接合對象0，3)的熱膨脹系數(shù)。
3.按照前述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合部件，其特征在于，第一接合層(4)將第一接合對象( 直接地與中間層( 連接并且第二接合層(6)將第二接合對象( 直接地與中間層(5)連接。
4.按照前述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合部件，其特征在于，第一和/或第二接合層(4， 6)和/或中間層(5)在橫向上被結(jié)構(gòu)化。
5.按照權(quán)利要求4所述的復(fù)合部件，其特征在于，在橫向上在第一和/或第二接合層 (4,6)和/或中間層(5)的結(jié)構(gòu)區(qū)段(7)之間形成用于引導(dǎo)冷卻流體的冷卻槽道和/或冷卻槽道網(wǎng)(9)。
6.按照權(quán)利要求5所述的復(fù)合部件，其特征在于，設(shè)有用于向冷卻槽道和/或冷卻槽道網(wǎng)(9)施加流體，尤其是冷卻氣體或冷卻液體，的機構(gòu)。
7.按照前述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合部件，其特征在于，第一和/或第二接合層(4， 6)是燒結(jié)層，粘接劑層，焊料層或彈性體密封材料。
8.按照前述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合部件，其特征在于，第一和/或第二接合層(4， 6)和/或中間層(5)被微觀結(jié)構(gòu)化和/或被納米結(jié)構(gòu)化。
9.按照前述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合部件，其特征在于，在第一和/或第二接合層 (4,6)中和/或在中間層(5)中設(shè)置至少一個執(zhí)行元件，尤其是珀耳帖元件，或傳感器 (10)，尤其是溫度傳感器和/或體積流傳感器。
10.按照前述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合部件，其特征在于，傳感器(10)被穿過第一和 /或第二接合層(4，6)地貫穿接通。
11.按照前述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合部件，其特征在于，第一接合對象(2)是電子部件，尤其是半導(dǎo)體元件，最好是功率半導(dǎo)體元件，和/或是尤其被裝配了的電路板。
12.按照前述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合部件，其特征在于，第二接合對象(3)是電路板或散熱器，尤其是底座板，冷卻體或外殼，或是另一個結(jié)構(gòu)組，尤其是邏輯結(jié)構(gòu)組。
13.用于制造最好按照前述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合部件(1)的方法，其中一個第一接合對象( 與至少一個第二接合對象C3)經(jīng)至少一個第一接合層(4)被接合起來，其特征在于，為了接合所述接合對象0，3)，附加地設(shè)置至少一個第二接合層(6)和至少一個布置在所述接合層(4,6)之間的中間層(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合部件(1)，包括第一接合對象(2)，包括至少一個第二接合對象(3)和包括第一，布置在第一接合對象(2)和第二接合對象(3)之間的第一接合層(4)。按照本發(fā)明規(guī)定，除了第一接合層(4)以外，還在第一和第二接合對象(2，3)之間設(shè)置至少一個第二接合層(6)，并且在第一和第二接合層(4，6)之間布置至少一個中間層(5)。
文檔編號H01L23/373GK102301468SQ201080006007
公開日2011年12月28日 申請日期2010年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月30日
發(fā)明者京特 M., 希爾施 M. 申請人:羅伯特·博世有限公司