CN101548379B - 电子器件模块及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了电子器件模块及其制造方法。本发明涉及一种电子器件模块，其具有至少一个陶瓷电路支承体(2，3)和带有至少一个冷却体(4)的冷却装置，其中在陶瓷电路支承体(2，3)和冷却装置(4)之间构建有复合区(5，7；6，8)用于将电路支承体(2，3)与冷却装置(4)相连，该复合区(5，7；6，8)包括(为了与陶瓷材料结合而构建的)至少部分由金属构建的复合层(5，6)和共晶区域(7，8)。本发明还涉及一种用于制造这种电子器件模块的方法。

Description

电子器件模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种电子器件模块，该电子器件模块具有：至少一个多层陶瓷电路支承体，以及带有至少一个冷却体的冷却装置。此外，本发明也涉及一种用于制造这种电子器件模块的方法。
背景技术
已公开了具有多个多层电路支承体的电子器件模块。这些电子器件模块例如通过LTCC(低温共烧陶瓷)来制造，该LTCC是用于制造由多个单个层构成的陶瓷电路支承体的有效技术。对此，用于电穿通接触(Durchkontaktierung)的、陶瓷的未烧结的生片通过冲裁而设置有开口，这些开口填充有导电膏，并且这些片在其表面上以丝网印刷方法设置有平的线路结构。最后，可以将多个这种单个层彼此层压并且在比较低的温度的情况下烧结。该工艺提供了多层的埋设的布局结构，这些布局结构可以用于无源电路元件的集成。此外，通过这样的方式可以提供布局结构，该布局结构具有非常良好的高频特性、被气密封地密封并且具有良好的耐热性。由于这些特性，LTCC技术适于应用于不利的环境中，例如适于传感器，应用于高频技术中例如在移动无线电中和在雷达领域中，以及应用于传动控制和马达控制的功率电子设备中，例如在车辆电子设备中。然而，在热学上要求苛刻的应用通常受到材料的比较差的导热性限制，该材料典型地具有2W/m K的导热性。单纯将LTCC衬底安装在冷却体上并不足以冷却有源半导体器件，这些半导体器件通常作为表面安装的部件是这种LTCC模块的一部分。尤其是，如在J.Schulz-Harder等人所著的“Microchannel water cooled power modules”(第1页至第6页，PCIM 2000Nuernberg)中所描述的那样将LTCC衬底焊接或者粘合到冷却体上并不充分。
LTCC陶瓷在标准工艺中与银金属化物兼容。因此，对于LTCC衬底的常用解决方案是集成热通孔。这些热通孔是垂直的穿通接触部，它们用含银的导电膏来填充并且主要用于散热。通过这样的方式可以达到20W/m K的平均导热性。与含银的膜结合，在垂直方向上或者在水平方向上能够实现90W/m K和150W/m K的值。这在M.A.Zampino等人所著的“LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger”(Proc.Internat.Symp.on Microelectronics 2003，Internat.Microelectronics and Packaging Society(IMAPS)，2003年11月18日-20日，Boston，USA)中公开。
另一解决方案是在LTCC电路板的凹处中将具有高损耗热的半导体IC(集成电路)例如功率放大器直接安装在散热器上。
此外，还公开了一些解决方案，其中这些解决方案基于填充流体的通道的集成。在此，通过具有高热容的流体例如水的对流来进行冷却，如在根据J.Schulz-Harder等人所著的“Micro channel water cooled power modules”的上述现有技术中以及此外在M.A.Zampino等人所著的“Embedded heat pipes with MCM-C Technology”(Proc.NEPCON West 1998 Conference Vol.2，Reed Exhibition：Norwalk，CT USA 1998，第777-785页，Vol.2(Conf.Anaheim，USA，1998年3月1日-5日))所描述的那样。
基于上述内容的解决方案针对热传递并不利用冷却流体的热容，而是利用相变的潜热。这在根据M.A.Zampino等人所著的“LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger”的上述现有技术中以及在W.K.Jones等人所著的“Thermal management in low temperature cofire ceramic(LTCC)using high density thermal vias and micro heat pipes/spreaders”(Proc.Internat.Symp.on Microelectronics 2002，Internat.Microelectronics and Packaging Society(IMAPS)，2002年3月10日-13日，Reno，USA)中进行了描述。在那里所阐述的“热管”根据现有技术例如用于冷却紧凑型计算机譬如膝上型计算机中的处理器。
除了这些适于LTCC的方法之外，所谓的直接铜接合工艺适于高度烧结的氧化铝陶瓷并且广泛应用以便在大约1100℃的情况下将由烧结的氧化铝构成的电路支承体与铜构成的冷却膜直接相连。这在J.Schulz-Harder等人所著的“Micro channel water cooled power modules”和J.Schulz-Harder等人所著的“DBC substrate with integrated flat heat pipe”(EMPC 2005，第15届欧洲微电子与封装技术研讨会暨展览会(European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition)，2005年6月12日-15日，Bruegge，Belgien)中进行了描述。
发明内容
本发明的任务是提出一种电子器件模块以及一种用于制造这种电子器件模块的方法，其中可以将高导热性的衬底简单且省事地与多层陶瓷电路支承体相连并且可以改进散热。
该任务在装置方面通过一种电子器件模块来解决，其具有至少一个陶瓷电路支承体和带有至少一个冷却体的冷却装置，其中在陶瓷电路支承体和冷却装置之间构建有复合区用于将电路支承体与冷却装置相连，该复合区包括共晶区域和至少部分由金属构建的复合层。该任务在方法方面通过一种用于制造电子器件模块的方法来解决，其中构建有至少一个多层陶瓷电路支承体，并且该电路支承体与带有至少一个冷却体的冷却装置相连，其中电路支承体和冷却装置通过复合区相连，该复合区通过共晶区域和用于与陶瓷金属材料相连的并且至少部分由金属构建的复合层来构建。
根据本发明的电子器件模块包括至少一个陶瓷多层电路支承体和带有至少一个冷却体的冷却装置。在陶瓷电路支承体与冷却装置之间构建有复合区，用于将电路支承体与冷却装置相连，该复合区包括至少部分由金属构建的复合层和共晶区域。尤其是，复合区构建为使得所述至少部分由金属构建的复合层被构建为用于与陶瓷材料、尤其是陶瓷多层电路支承体的陶瓷材料相连。通过这种构型可以实现电路支承体与冷却装置之间的机械上稳定的多层复合区，该复合区还可以省事地制造。
共晶区域优选地设置在复合层与金属冷却装置之间。尤其是在金属冷却装置的情况下共晶区域可以构建特别的复合结构。
优选地，复合区整面地构建在电路支承体与冷却装置之间。这能够实现简单且省事地施加复合区。然而，也可以设计的是，复合区仅仅局部构建在电路支承体与冷却装置之间。在此尤其是可以设计为，设置有特定的局部区域，在这些区域上构建有复合区。这优选可以通过如下方式来提供：特别是承受热的电子器件与该复合区相邻地设置在电路支承体中，并且由此能够实现通过复合区和冷却装置的改进的热散发，因为复合区与这些器件设置得比较近。
优选地，金属复合层作为金属膏至少局部地施加在电路支承体上。特别优选的是，在将电路支承体的单个层连接在一起之前，金属复合层作为金属膏与冷却装置一同施加在电路支承体上。证明为特别优选的是，该金属膏被构建为用于在将电路支承体的单个层连接在一起的工艺中与陶瓷电路支承体反应性相连。通过该实施形式，可以在用于将电路支承体的单个层连接在一起的工艺中实现在金属膏与陶瓷电路支承体之间构建金属复合层并且因此实现其间的稳定的复合结构。因此，不再必须在将多层电路支承体最终连接在一起的工艺之后事后地进行复合结构的构建，而是能够至少在时间上与该工艺交叠地并且因此也在这些工艺条件下实现。由此在提高稳定性并且此外改进导热性的同时可以实现明显更短的制造。
优选地，电路支承体构建为陶瓷LTCC电路支承体，并且在用于将单个层与陶瓷电路支承体相连的LTCC工艺中构建复合层，用于与LTCC电路支承体反应性地产生复合结构。
特别优选地，在用于将陶瓷多层电路支承体的单个层相连的工艺中可以产生共晶区域，用于与冷却装置反应性地产生复合结构。这一情况当电路支承体构建为陶瓷LTCC电路支承体并且在用于连接陶瓷电路支承体的单个层的LTCC工艺中可以产生共晶区域时尤其是有利的。由于粘合剂燃尽引起的陶瓷材料的收缩在此通过具有金属中间层的复合结构而限制到垂直的维度上。由此，与现有技术中已公开的用于限制横向收缩的方法相比，实现了电路支承体的更好的尺寸稳定性。通过限制横向伸展和/或通过合适的垂直层序列而考虑了金属和陶瓷的不同的热膨胀系数。
优选地，在电路支承体、复合区和冷却装置之间的复合结构通过在840℃到930℃之间的温度、尤其是在大约900℃的烧结工艺来构建。该复合结构因此优选在比较低的大约900℃的烧结温度的情况下通过如下方式来实现：多层LTCC电路支承体在朝着冷却装置的冷却体的接触面上被整面地或者以特别选择的图案地印制有与LTCC兼容的并且在该工艺中反应性的金属膏。这种金属膏例如可以由金属颗粒如银、金、铂或者钯以及玻璃颗粒和有机粘合剂组成。玻璃成分在此保证了在电路支承体的功能LTCC层上的良好粘附性。此外，复合区也通过共晶区域来构建。该共晶区域尤其是在优选是铜的冷却体金属与金属复合层的金属之间来制造。特别优选地可以设计为，金属复合层是至少具有银的LTCC丝网印刷膏。
冷却体至少在一侧横向地延伸超过电路支承体的范围。除了横向冷却可能性之外，由此也可以实现简单地安装在具有其他器件模块和/或壳体的冷却体的突出的侧上。
通过根据本发明的电子器件模块可以仅借助金属层与器件模块的部件之间的金属反应来实现整面的材料连接，而无需在实际的制造之后在现有技术中例如通过硬焊剂或者通过粘合工艺必须施加的附加材料。由此能够实现最小的可能的热阻。由此可以实现电子器件模块的纯粹无源的散热，而无需运动的物质、相界或者相变。
当电子器件模块具有多个陶瓷电路支承体，在多个陶瓷电路支承体之间构建有多个冷却装置、尤其是作为中间层的冷却体时，则该复合区的构型证明是特别有利的。在这种整体构建的情况下，因此陶瓷电路支承体的堆叠构建有集成在其中的冷却体。尤其是在这种复杂的***的情况下，通过所提出的具有这种复合区的电子器件模块可以保证在稳定性和功能性方面的显著改进。特别是，这种复杂***的制造也可以明显更快地并且更为低廉地实现。尤其是，这因此可以被实现：因为整个最终的复合区的构建基本上与多层电路支承体的实际复合结构制造同时进行。
此外，在陶瓷电路支承体(尤其是LTCC电路支承体)中的埋设的部件的有效散热是可能的。在此例如铁氧体和电阻称作部件。特别是，另一优点的原因在于，冷却体也可以构建为集成的膜、尤其是铜膜并且因此也可以用作高导电能力的导体。
由此同样可以实现尺寸上的最小化和紧凑性。
在根据本发明的用于制造电子器件模块的方法中，构建有至少一个多层陶瓷电路支承体，并且该电路支承体与带有至少一个冷却体的冷却装置相连。电路支承体和冷却装置通过复合区相连，该复合区通过至少部分由金属构建的复合层和共晶区域构建。复合区的这种至少两层的***一方面能够实现最优地连接到由第一材料构建的电路支承体上，而另一方面能够实现最佳地连接到由第二材料构建的冷却装置上。除了稳定的连接之外这也可以省事地产生。
优选地，在将电路支承体施加在冷却装置上之前，金属复合层作为至少局部涂敷的金属膏来构建在该电路支承体上。共晶区域优选构建在金属复合层与冷却装置之间。证明为特别优选的是，共晶区域在连接期间构建在电路支承体、复合层和冷却装置之间。共晶区域优选通过借助低于如下工艺温度的熔化温度进行的材料连接来构建：在该工艺温度下电路支承体、复合层和冷却装置彼此连接。电路支承体、复合层和冷却装置优选通过在在840℃到930℃之间的温度、尤其是在大约900℃的温度的情况下的烧结来连接。
证明为特别优选的是，电路支承体构建为陶瓷LTCC电路支承体，并且在用于将陶瓷多层电路支承体的单个层相连的工艺中产生共晶区域，用于与冷却装置反应性地产生复合结构。因此，在陶瓷电路支承体的单个层的复合结构构建期间同时也在其最终的构型中产生复合区，其方式是一方面在该工艺中构建用于与陶瓷电路支承体反应性地产生复合结构的金属复合层，而另一方面在该工艺中在金属复合层与金属冷却体之间产生共晶区域。证明为特别优选的是，金属膏并且因此金属复合层部分地由银构成和具有这种颗粒，并且冷却体至少部分地由铜构建。由此，在用于连接陶瓷电路支承体的单个层的LTCC工艺中可以产生共晶区域，其中例如在40％的银成分的情况下共晶可以借助大约779℃的熔化温度来构建。这因此可以在LTCC工艺中的900℃的优选工艺温度的情况下比较容易形成。此外，也可以将设置有金颗粒的金属膏设置为金属复合层，该复合层形成具有43.5％的金成分和大约889℃的熔化温度的共晶。
附图说明
以下参照示意图进一步阐述了本发明的实施例。其中：
图1示出了通过根据本发明的电子器件模块的一个实施例的剖面图；以及
图2示出了电子器件模块的复合区的共晶区域的银-铜***的相图。
根据图1，电子器件模块1包括第一多层陶瓷LTCC电路支承体2和第二多层陶瓷LTCC电路支承体3。这两个电路支承体2和3设置在冷却体4的对置的侧上，该冷却体与冷却装置关联。在此实施例中，冷却体4因此整体上在电子器件模块1中设置在这两个电路支承体2和3之间。冷却体4在横向方向(x方向)上从两侧延伸超出LTCC电路支承体2和3的范围。此外，在冷却体4中构建有孔41和42，这些孔被设计用于与其他部件或者壳体固定在一起，尤其是拧合在一起。
在上述LTCC电路支承体2和在此实施例中由铜构建的冷却体4之间构建有第一复合层5，该复合层将第一电路支承体2与冷却体4机械稳定地连接。以相应的方式在冷却体4与第二LTCC电路支承体3之间同样构建有复合层6。两个复合层5和6被构建为用于与陶瓷LTCC电路支承体2和3反应性地相连。这意味着，在用于连接电路支承体2和3的相应的单个层的LTCC工艺中也构建了在复合层5和第一电路支承体2之间的复合结构以及在第二复合层6与第二电路支承体3之间的复合结构。
在此实施例中，复合层5和6分别整面地构建在冷却体4与相应的电路支承体2和3之间。也可以设计的是，复合层5和6分别仅仅局部地构建。尤其是，复合层5和6构建在如下部位上：在这些部位上由于设置了电子部件而在相应的电路支承体2和3中产生最多的热。通过复合层5和6的这种有针对的局部的构建于是可以实现尽可能最好的热散发。该热散发在此实施例中在横向上进行。
在图1中，在金属复合层5和冷却体4之间还构建有第一共晶区域7。此外，在第二金属复合层6和冷却体4之间构建有第二共晶区域8。这两个共晶区域7和8因此分别形成一侧由金属复合层5和冷却体4构成的部分区域而另一侧由金属复合层6与冷却体4构成的部分区域。
在此实施例中，金属复合层5和6至少部分地设置有银颗粒。冷却体4至少按比例地由铜构建。由此，在用于将部件连接的LTCC工艺中可以构建共晶区域7和8。
在此实施例中，示意性示出的电子器件模块1被如下制造：使得首先产生具有相应的电子部件和电线路的电路支承体2和3的单个层。随后，与LTCC兼容的金属膏被整面地或者以特别选择的图案地施加到电路支承体2和3的朝着冷却体4的侧上，尤其是压印到电路支承体2和3的朝着冷却体4的侧上。在随后的LTCC工艺(其中电路支承体2和3的相应的单个层彼此连接、尤其是彼此层压并且随后被烧结)中，于是也产生了相应的复合区，其第一复合区包括金属复合层5和共晶区域7而其第二复合区包括金属复合层6和共晶区域8。电路支承体2和3的烧结在大约900℃的温度的情况下进行。在该工艺中，也可以构建如下复合结构：在该复合结构中在复合层5与陶瓷电路支承体2之间进行反应性复合结构生成，而在电路支承体3与金属复合层6之间进行反应性复合结构生成。此外，在该LTCC工艺中，也在金属复合层5和冷却体4之间进行反应性复合结构生成，并且由此构建了共晶区域7。以相应的方式进行共晶区域8的构建。
基于在此实施例中所选择的材料，银-铜***形成为共晶区域7和8。在图2中示出了这种银-铜***的相图，其中在示例性的40％的银成分的情况下，构建了大约779℃的熔化温度的共晶。因此，这可以在烧结中在900℃的工艺温度的情况下容易地形成。

Claims (19)

1.一种电子器件模块，其具有至少一个陶瓷电路支承体(2，3)和带有至少一个冷却体(4)的冷却装置，其特征在于，
在陶瓷电路支承体(2，3)和冷却装置(4)之间构建有复合区(5，7；6，8)用于将电路支承体(2，3)与冷却装置(4)相连，该复合区(5，7；6，8)包括共晶区域(7，8)和至少部分由金属构建的复合层(5，6)。
2.根据权利要求1所述的电子器件模块，其特征在于，共晶区域(7，8)设置在复合层(5，6)与金属冷却装置(4)之间。
3.根据权利要求1所述的电子器件模块，其特征在于，复合区(5，7；6，8)整面地构建在电路支承体(2，3)与冷却装置(4)之间。
4.根据权利要求2所述的电子器件模块，其特征在于，复合区(5，7；6，8)整面地构建在电路支承体(2，3)与冷却装置(4)之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电子器件模块，其特征在于，在将电路支承体的单个层与冷却装置连接在一起之前，金属复合层(5，6)作为金属膏至少局部地施加在电路支承体(2，3)上。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电子器件模块，其特征在于，电路支承体构建为陶瓷的低温共烧陶瓷电路支承体(2，3)。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的电子器件模块，其特征在于，电路支承体构建为陶瓷的低温共烧陶瓷电路支承体(2，3)，并且在用于连接陶瓷电路支承体(2，3)的单个层的低温共烧陶瓷工艺中能够产生共晶区域(7，8)用于与冷却装置(4)反应性地产生复合结构。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的电子器件模块，其特征在于，冷却装置(4)至少在一侧横向地延伸超出电路支承体(2，3)的范围。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的电子器件模块，其特征在于，在电路支承体(2，3)、复合区(5，7；6，8)和冷却装置(4)之间的复合结构通过在840℃到930℃之间的温度的烧结工艺来构建。
10.根据权利要求9所述的电子器件模块，其特征在于，在电路支承体(2，3)、复合区(5，7；6，8)和冷却装置(4)之间的复合结构通过在900℃的温度的烧结工艺来构建。
11.一种用于制造电子器件模块(1)的方法，其中构建有至少一个多层陶瓷电路支承体(2，3)，并且该电路支承体与带有至少一个冷却体(4)的冷却装置相连，其特征在于，
电路支承体(2，3)和冷却装置(4)通过复合区(5，7；6，8)相连，该复合区(5，7；6，8)通过共晶区域(7，8)和用于与陶瓷金属材料相连的并且至少部分由金属构建的复合层(5，6)来构建。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在用于连接电路支承体(2，3)的单个层的工艺之前，将含金属的膏设置到电路支承体(2，3)和/或冷却装置(4)上，并且由此在用于连接电路支承体(2，3)的单个层的工艺中构建金属复合层(5，6)。
13.根据权利要求11或者12所述的方法，其特征在于，共晶区域(7，8)构建在金属复合层(5，6)与冷却装置(4)之间。
14.根据权利要求11或者12所述的方法，其特征在于，在连接期间在电路支承体(2，3)、复合层(5，6)和冷却装置(4)之间构建有共晶区域(7，8)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，共晶区域(7，8)通过借助低于如下工艺温度的熔化温度进行材料结合来构建：在所述工艺温度下电路支承体(2，3)、复合层(5，6)和冷却装置(4)彼此连接。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，电路支承体(2，3)、复合层(5，6)和冷却装置(4)通过在840℃到930℃之间的温度的烧结工艺来连接。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，电路支承体(2，3)、复合层(5，6)和冷却装置(4)通过在900℃的温度的烧结工艺来连接。
18.根据权利要求11或者12所述的方法，其特征在于，电路支承体构建为陶瓷的低温共烧陶瓷电路支承体(2，3)，而在用于连接陶瓷电路支承体(2，3)的单个层的低温共烧陶瓷工艺中在复合层(5，6)和冷却装置(4)之间产生共晶区域(7，8)用于与冷却装置(4)反应性地产生复合结构。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，复合层(5，6)至少部分由玻璃构建，通过丝网印刷来施加并且接着进行热处理。
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