EP3420586A1 - Kleber zur verbindung einer leistungselektronischen baugruppe mit einem kühlkörper und verbund daraus - Google Patents

Kleber zur verbindung einer leistungselektronischen baugruppe mit einem kühlkörper und verbund daraus

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EP3420586A1
EP3420586A1 EP17708190.8A EP17708190A EP3420586A1 EP 3420586 A1 EP3420586 A1 EP 3420586A1 EP 17708190 A EP17708190 A EP 17708190A EP 3420586 A1 EP3420586 A1 EP 3420586A1
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EP
European Patent Office
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adhesive
heat sink
ceramic substrate
heat
adhesive according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17708190.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Eder
Sven Pihale
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3420586A1 publication Critical patent/EP3420586A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L23/3737—Organic materials with or without a thermoconductive filler
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09J183/00—Adhesives based on macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon, with or without sulfur, nitrogen, oxygen, or carbon only; Adhesives based on derivatives of such polymers
    • C09J183/04—Polysiloxanes
    • C09J183/08—Polysiloxanes containing silicon bound to organic groups containing atoms other than carbon, hydrogen, and oxygen
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    • B32B2457/00—Electrical equipment
    • B32B2457/08—PCBs, i.e. printed circuit boards

Definitions

  • the invention relates to an adhesive for the thermally conductive compound of a ceramic substrate, in particular a slightest ⁇ tung electronic module with a heat sink and a composite of a heat sink and a ceramic substrate with this adhesive.
  • DCBs Direct Copper Bonds
  • Printed circuit boards with large-area, metallic interconnect structures are mounted on so-called DCBs (Direct Copper Bonds) for a narrow electrical / thermal connection.
  • DCBs Direct Copper Bonds
  • These include, for example, a ceramic substrate which is provided on both sides, or in some cases also on one side, with a metallization, for example with copper and / or aluminum, or an alloy. Since the power electronic modules usually high electrical currents and / or Leis ⁇ lines switch, created by electrical losses, a large amount of waste heat. This must be dissipated, since the power electronic module otherwise can no longer work effizi ⁇ ent or destroyed in the worst case.
  • heat sinks for example metal blocks of aluminum, copper alloys and / or other thermally conductive alloys. These are themselves active, for example cooled by means of flowing cooling water.
  • heat sinks for example metal blocks of aluminum, copper alloys and / or other thermally conductive alloys. These are themselves active, for example cooled by means of flowing cooling water.
  • thermally conductive connecting materials are metal layers, which are applied as a paste and, at temperatures well below the melting point of the metal, dense virtually pore-free structures, for example in a sintering process. Alternatively, solders can be used.
  • the mounting plate is for example made of a thermally conductive metal or a thermally conductive metal alloy, for example aluminum. Processing is easy because the mounting plate is flat and has a low mass.
  • a thermal compound on the underside of the mounting plate and / or the top of the heat sink is placed on ⁇ and then the assembled mounting plate, so for example, the DCB-aluminum plate with the heat sink screwed.
  • the thermal paste has a better sauceleitfä ⁇ ability than air.
  • the object of the present invention is therefore to provide an adhesive which overcomes the disadvantages of the prior art and in particular forms a lower heat resistance in the heat-dissipation chain.
  • the invention relates to an adhesive for the connection of an at least one side metallized ceramic substrate, which carries a power electronic assembly, with a, preferably metallic, heat sink, wherein the ceramic substrate rests on the heat sink and the adhesive is such that it with optional containing thermally conductive Bulking ⁇ fen, with the surface to be joined of the ceramic substrate and / or with the metallic surface of the cooling body to ⁇ least partially covalent Forming bonds.
  • the present invention is a composite of a heat sink and a ceramic substrate, wherein the composite can be produced by bonding with an adhesive of the type mentioned.
  • the uncrosslinked adhesive from the compound class of the hybrid organic metal oxides in particular the hybrid organic transition metal oxides, and from the class of water glasses, ie amorphous, water-soluble sodium, potassium and / or lithium silicates, by silicification, a Special form of crosslinking in silicates or silicate-like metal oxides, forming water-insoluble composites.
  • a hybrid organic metal oxide includes, for example, an organic, that carbon-containing compound, the Alumini ⁇ environmentally, zirconium, titanium and / or silicon cations comprises and functional, reactive groups which are suitable for crosslinking, such as aluminum sec-butoxide.
  • the ready-to-use adhesive contains on a metallic central atom at least one organic compound having at least one complex-bonded organic, mono- or poly-negatively charged radical bearing one or more organic functional and reactive groups selected from among following to Vernet ⁇ wetting appropriate reactive groups or substituents: genetically halo- (substituent) -, that is fluorine, chlorine, bromine, iodine; Pseudohalogen, amino, amide, aldehyde, keto, carboxy, thiol, hydroxy, acryloxy, methacryloxy, epoxy, isocyanate, vinyl, ester, ether group (n).
  • organic and negatively charged radicals are complex to a metallic center, such as an aluminum, a titanium and / or a zirconium cation and / or a
  • the adhesive then belongs correspondingly to the class of compounds of the silicon-hybrid composites.
  • These compounds are obtainable, for example, by reacting an organic fluorine, chlorine, bromine, iodine, amino, amide, aldehyde, keto, carboxy, thiol, hydroxy,
  • crosslinking takes place within the adhesive by forming predominantly covalent bonds to the metal cation. This bond also corresponds to the bonding of the adhesive to the surfaces to be joined of the filler particles, the ceramic substrate and the metallic surface of the heat sink.
  • the reactive group of the adhesive suitable for crosslinking is suitably selected from the group of the abovementioned functional groups: halogen, ie fluorine, chlorine, bromine, iodine, pseudohalogen, amino, amide, aldehyde, keto, Carboxy, thiol, hydroxy, acryloxy, methacryloxy, epoxy,
  • the metallic central atom is for example selected from the group of the following elements: silicon, zirconium, aluminum, boron, titanium.
  • the adhesive is based on a so-called water glass, ie a silicate and / or water glass-like compound having structural elements such as -Si-O-Si, -Al-O-Al, -Si-O- Al, -Si-O-Zr, -Zr-O-Zr, -Ti-O-Zr, -Si-O-Ti, -Al-O-Ti, -Ti-O-Ti, , -Zr-O-Zr, -Al-O-Ti and / or -Al-O-Zr bonds, as well as any copolymers, blends and / or mixtures of compounds comprising these structural elements and / or their chemical properties are characterized by these structural elements is present.
  • a so-called water glass ie a silicate and / or water glass-like compound having structural elements such as -Si-O-Si, -Al-O-Al, -S
  • additives and / or fillers in particular heat-conductive fillers, are present. These can multimodal vorlie ⁇ gen.
  • fillers may be present to increase the ability of the adhesive inPolumbleleitfä ⁇ filler contents of 20 vol% to 70 vol%, especially in filler contents of 30 vol% to 60 vol%, particularly preferably in the range of 35 vol% to 55 vol%.
  • thermally conductive filler is a filler ⁇ material selected from the group of highly thermally conductive Me ⁇ , for example, metals such as aluminum, copper, iron, of the ceramics and glasses such as silica, corundum (AI2O3), titanate (T1O2), as well as comparable thermally conductive Carbide and nitrides, as in ⁇ example, boron nitride used.
  • metals such as aluminum, copper, iron, of the ceramics and glasses such as silica, corundum (AI2O3), titanate (T1O2), as well as comparable thermally conductive Carbide and nitrides, as in ⁇ example, boron nitride used.
  • the fillers are used in any particulate form, for example in platelet-shaped and / or spherical form.
  • the filler can be used in two multiple fractions, multimodal, material, size and / or shape.
  • the particle size is preferably in the range from 10 nm to 20 ⁇ m, ie it covers the entire range of the nano- and the microparticles.
  • a fraction is used at least having a particle size in the range of lOOnm ⁇ to 15 ym, and in particular before ⁇ Trains t in the range of 500nm to 10ym.
  • adhesives can be realized which, in combination, exhibit thermal conductivities of 4 W / mK and higher.
  • the adhesive according to the invention it is possible to dispense with some disadvantages of the prior art, such as the mounting plate and / or a heat-conducting paste to be renewed regularly.
  • a mounting plate or an additional thermal compound it is possible to recommend using a mounting plate or an additional thermal compound, but this is no longer as compelling as in the prior art according to the invention.
  • a silicon wafer bond with a silicone was carried out.
  • the composite with the example adhesive exhibited a thermal conductivity of 8.5-7.5 W / m.sup.-K.
  • the adhesive bond with the conventionally used silicone had a thermal conductivity of 2.5-2.4 W / m.sup.-K with a comparable adhesive layer thickness or overall composite layer thickness.
  • the figure shows the graphical representation of the compared adhesives, the conventional silicon-silicon composite according to the prior art on the one hand and the composite according to an embodiment of the invention with a silicon-hybrid composite.
  • the silicon-hybrid composite has a significantly increased ge ⁇ thermal conductivity of 8.6 W / mK as compared to silicon-silicone composite, showing almost independent of the tem- perature a thermal conductivity of 2.5 W / mK.
  • the invention relates to an adhesive for the thermally conductive compound of a ceramic substrate, in particular a slightest ⁇ tung electronic module with a heat sink and a composite of a heat sink and a ceramic substrate with this adhesive.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kleber zur wärmeleitenden Verbindung eines Keramiksubstrates, insbesondere einer leistungselektronischen Baugruppe mit einem Kühlkörper und einen Verbund aus einem Kühlkörper und einem Keramiksubstrat mit diesem Kleber. Durch den Einsatz hybrider metallorganischer Verbindungen und/oder Wassergläser als Kleber werden hohe Vernetzungsgrade und/oder die Ausbildung covalenter Bindungen zwischen dem Kleber und den Fügepartnern und/oder den Füllstoffpartikeln wird eine deutliche Steigerung der Wärmeleitfähigkeit erreicht, so dass die wärmeleitfähige Kleberschicht einen gegenüber dem Stand der Technik deutlich erniedrigten Wärmeleitwiderstand zeigt und damit die Entwärmungskette weniger stark belastet als dies durch die herkömmlichen Fügeund/oder Verbindungsmethoden üblich ist.

Description

Beschreibung
Kleber zur Verbindung einer leistungselektronischen Baugruppe mit einem Kühlkörper und Verbund daraus
Die Erfindung betrifft einen Kleber zur wärmeleitenden Verbindung eines Keramiksubstrates, insbesondere einer leis¬ tungselektronischen Baugruppe mit einem Kühlkörper und einen Verbund aus einem Kühlkörper und einem Keramiksubstrat mit diesem Kleber.
Leiterplatten mit großflächigen, metallischen Leiterbahn- Strukturen, hier leistungselektronische Baugruppen genannt, werden für eine enge elektrische/thermische Verbindung auf so genannte DCBs (Direct Copper Bonds) montiert. Diese umfassen beispielsweise ein keramisches Substrat, das beidseitig, oder in manchen Fällen auch einseitig, mit einer Metallisierung, beispielsweise mit Kupfer und/oder Aluminium, oder einer Legierung, versehen ist. Da die leistungselektronischen Baugruppen in der Regel hohe elektrische Ströme und/oder Leis¬ tungen schalten, entsteht durch elektrische Verluste eine große Menge an Abwärme. Diese muss abgeführt werden, da die leistungselektronische Baugruppe ansonsten nicht mehr effizi¬ ent arbeiten kann oder im schlimmsten Fall zerstört wird.
Um eine Beschädigung und/oder eine Zerstörung der leistungselektronischen Baugruppe zu verhindern, werden hochbelastete Schaltungen auf Kühlkörper, beispielsweise Metallblöcke aus Aluminium-, Kupfer- deren Legierungen und/oder entsprechend anderen wärmeleitfähigen Legierungen, montiert. Diese werden selbst aktiv, z.B. mittels hindurchfließendem Kühlwasser gekühlt. Um eine möglichst effiziente Kühlung der leis¬ tungselektronischen Baugruppen zu erreichen, ist vor allem eine möglichst gute thermische Ankopplung des keramischen Substrats an den Kühlkörper erforderlich. Dies kann erreicht werden durch ein Material, welches sowohl hohe thermische Leitfähigkeit wie auch geringe thermische Übergangswider¬ stände zu den Kontaktflächen bietet. Besonders vorteilhafte wärmeleitfähige Verbindungsmaterialien sind Metallschichten, die als Paste aufgetragen werden und bei Temperaturen deutlich unter dem Schmelzpunkt des Me- talls zu dichten, nahezu porenfreien Strukturen verbacken, beispielsweise in einem Sinterprozess . Alternativ können auch Lote zum Einsatz kommen.
Werden jedoch Kühlkörper verwendet, die eine gewisse Maxi¬ malgröße überschreiten, so kann diese Technik nicht mehr angewendet werden. Der Grund hierfür ist, dass beide Füge¬ partner, also keramisches Substrat und Kühlkörper, bei den erforderlichen Prozesstemperaturen, beispielsweise 250°C und höher, stabil sein sollten, damit die Verbindung ausgebildet werden kann. Bei großen Kühlern bedeutet dies einerseits sehr lange Aufwärmzeiten . Gleichzeitig bleibt aber nach erfolgter Fügung die leistungselektronische Baugruppe eine vergleichsweise lange Zeit auf der hohen Fügetemperatur, weil insbesondere der Kühlköper als Wärmespeicher agiert.
In der Regel erfolgen die o.g. Sinterverfahren unter der Ausübung von Druck auf beide Fügepartner (sog. Drucksintern), um die Prozesstemperatur und -zeit zu senken. Da die Kühlkörper oftmals auch komplexe geometrische Strukturen aufweisen, wie z.B. Kühlrippen, ist eine Druckbeaufschlagung nur mit erhöhtem Aufwand in der Serienfertigung umzusetzen.
Derzeit werden DCBs zunächst auf eine Montageplatte mittels Löt- oder Sinterprozessen aufgebracht. Die Montageplatte ist beispielsweise aus einem wärmeleitfähigen Metall oder einer wärmeleitfähigen Metalllegierung, beispielsweise aus Aluminium. Eine Verarbeitung ist einfach, da die Montageplatte plan ist und eine geringe Masse aufweist. Zur Verbindung mit dem Kühlkörper wird eine Wärmeleitpaste auf die Unterseite der Montageplatte und/oder die Oberseite des Kühlkörpers aufge¬ bracht und anschließend die bestückte Montageplatte, also beispielsweise die DCB-Aluminium-Platte mit dem Kühlkörper verschraubt. Die Wärmeleitpaste hat eine bessere Wärmeleitfä¬ higkeit als Luft.
Es sind auch Kleber auf der Basis von Epoxidpolymeren in Ver- bindung mit hohen Füllgraden wärmeleitfähiger Partikel bekannt, die eine direkte Montage der DCBs mit leistungselekt¬ ronischer Baugruppe auf den Kühlkörper ermöglichen, ohne dabei auf eine Montageplatte angewiesen zu sein. Die Wärmeleit¬ fähigkeit der bekannten Klebstoffe, die typischerweise bei Temperaturen um die 100°C aushärten, beträgt ca. lW/mK. Die Wärmeleitfähigkeit der Metallisierung, beispielsweise der Kupfer- und/oder Aluminiummetallisierung ist jedoch 300- bis 400-mal höher. Somit ist klar, dass dieser Kleber zwar fertigungstechnisch den Aufwand reduzieren kann, aber einen großen Wärmewiderstand in der Entwärmungskette bildet und damit nur begrenzt einsetzbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Kleber zur Verfügung zu stellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere einen geringeren Wärmewi derstand in der Entwärmungskette bildet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Er¬ findung, wie er in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Figur offenbart wird, gelöst.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass ein Kleb¬ stoff, der bei der Härtung covalente Bindungen an den wärme- leitfähigen Füllstoff und/oder an einen oder beide Fügepart- ner ausbildet, die Nachteile des Standes der Technik überwin¬ det. Zudem ist es eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass ein hoher Vernetzungsgrad des Klebstoffs eine bessere thermische Anbindung und damit einen geringeren Wärmewiderstand bewirkt.
Gegenstand der Erfindung ist ein Kleber für die Verbindung eines zumindest einseitig metallisierten Keramiksubstrates, das eine leistungselektronische Baugruppe trägt, mit einem, bevorzugt metallischen, Kühlkörper, wobei das Keramiksubstrat auf dem Kühlkörper aufliegt und der Kleber so beschaffen ist, das er mit optional enthaltenden wärmeleitfähigen Füllstof¬ fen, mit der zu verbindenden Oberfläche des Keramiksubstrats und/oder mit der metallischen Oberfläche des Kühlkörpers zu¬ mindest teilweise kovalente Bindungen ausbildet.
Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verbund aus einem Kühlkörper und einem Keramiksubstrat, wobei der Verbund durch Verklebung mit einem Kleber der eingangs genannten Art herstellbar ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der unvernetzte Kleber aus der Verbindungsklasse der hybrid- organischen Metalloxide, insbesondere der hybridorganischen Übergangsmetalloxide, sowie aus der Verbindungsklasse der Wassergläser, also amorpher, wasserlöslicher Natrium-, Kalium- und/oder Lithiumsilikate, die durch Verkieselung, einer Sonderform der Vernetzung bei Silikaten oder Silikat- ähnlichen Metalloxiden, wasserunlösliche Verbünde bilden.
Ein hybridorganisches Metalloxid umfasst beispielsweise eine organische, also kohlenstoffhaltige Verbindung, die Alumini¬ um-, Zirkon-, Titan- und/oder Silicium-Kationen umfasst und funktionelle, reaktive Gruppen, die zur Vernetzung geeignet sind, wie beispielsweise Aluminium-sec-butoxid .
Im gebrauchsfertigen Kleber liegt nach einer Ausführungsform an einem metallischen Zentralatom zumindest eine organische Verbindung mit zumindest einem komplex gebundenen organischen, ein- oder mehrfach negativ geladenen Rest, vor, der eine oder mehrere organische funktionelle und reaktive Grup¬ pen trägt, die ausgewählt sind aus den folgenden zur Vernet¬ zung geeigneten reaktiven Gruppen oder Substituenten : Halo- gen- (substituent) -, also Fluor-, Chlor-, Brom-, Jod-; Pseudo- halogen-, Amino-, Amid-, Aldehyd- , Keto-, Carboxy-, Thiol-, Hydroxy-, Acryloxy -, Methacryloxy- , Epoxy-, Isocyanat, Vi- nyl-, -ester-, - Ether-gruppe (n) . Diese organische und negativ geladenen Reste sind komplex an ein metallisches Zentrum, wie beispielsweise ein Aluminium-, ein Titan und/oder ein Zirkonium-Kation und/oder ein
Siliziumatom gebunden. Im Falle Silizium gehört der Kleber dann entsprechend zur Verbindungsklasse der Silicium-Hybrid- Verbunde .
Diese Verbindungen sind beispielsweise erhältlich durch Um- setzung einer organischen Fluor-, Chlor-, Brom-, Jod-, Amino- , Amid-, Aldehyd- , Keto-, Carboxy-, Thiol-, Hydroxy-,
Acryloxy -, Methacryloxy- , Epoxy-, Isocyanat, Vinyl-, - Ester-, -Ether-, Sulfonsäure- , Phosphorsäuregruppe (n) und/oder diese oder andere elektronenziehende Substituenten tragenden organischen Verbindung mit einem Aluminium-, Zir- kon-, Titan-, und/oder Silicium-Hydroxid . Unter Kondensation erfolgt dann eine Vernetzung des mehrfach positiven Kations mit der elektronegativen funktionellen Gruppe unter Ausbildung einer Sauerstoff- und/oder Halogen-Metallbindung, die wegen der organischen, also Kohlenstoffhaltigen Reste am Sauerstoff- und/oder Halogen keinen überwiegend ionogenen, sondern einen überwiegend covalenten Charakter haben.
Bei Erwärmung und/oder Säurezugabe findet die Vernetzung in- nerhalb des Klebers durch Ausbilden überwiegend covalenter Bindungen zum Metallkation statt. Diese Bindung entspricht auch der Verbindung des Klebers zu den zu verbindenden Oberflächen der Füllstoffpartikel , des Keramiksubstrates und der metallischen Oberfläche des Kühlkörpers.
Die zur Vernetzung geeignete reaktive Gruppe des Klebers ist entsprechend ausgewählt aus der Gruppe der oben genannten funktionellen Gruppen: Halogen- also Fluor-, Chlor-, Brom-, Jod-, Pseudohalogen-, Amino-, Amid-, Aldehyd- , Keto-, Carboxy-, Thiol-, Hydroxy-, Acryloxy -, Methacryloxy-, Epoxy-,
Cyanat-, Isocyanat, Vinyl-, -Ester-, -Ether-, Sulfonsäure- , Phosphorsäuregruppe (n) . Das metallische Zentralatom ist beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe folgender Elemente: Silicium, Zirkon, Aluminium, Bor, Titan. Nach einer Ausführungsform ist der Kleber auf Basis eines so genannten Wasserglases, also einer Silikat- und/oder wasser- glas-ähnlichen Verbindung mit Strukturelementen wie -Si-0- Si-, -A1-0-A1-, -Si-O-Al-, -Si-O-Zr-, -Zr-O-Zr-, -Ti-O-Zr- , -Si-O-Ti-, -Al-O-Ti-, -Ti-O-Ti-, -Zr-O-Zr-, -Al-O-Ti- und/oder -Al-O-Zr-Bindungen, sowie beliebiger Copolymere, Blends und/oder Mischungen von Verbindungen, die diese Strukturelemente umfassen und/oder deren chemischen Eigenschaften von diesen Strukturelementen geprägt sind, vorliegt .
Im Kleber liegen nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung Additive und/oder Füllstoffe, insbesondere wärme- leitfähige Füllstoffe, vor. Diese können multimodal vorlie¬ gen .
Diese Füllstoffe können zur Erhöhung der Gesamtwärmeleitfä¬ higkeit des Klebers in Füllgraden von 20 Vol% bis 70 Vol% vorliegen, insbesondere in Füllgraden von 30 Vol% bis 60 Vol%, besonders bevorzugt im Bereich von 35 Vol% bis 55 Vol%.
Als wärmeleitfähiger Füllstoff wird beispielsweise ein Füll¬ stoff, ausgewählt aus der Gruppe der gut wärmeleitfähigen Me¬ talle wie Aluminium, Kupfer, Eisen, der Keramiken und Gläser wie Siliciumdioxid, Korund (AI2O3) , Titanat (T1O2) , sowie ver- gleichbarer wärmeleitfähiger Carbide und Nitride, wie bei¬ spielsweise Bornitrid, eingesetzt.
Die Füllstoffe werden in beliebiger Partikelform, beispielsweise in plättchenförmiger und/oder sphärischer Form einge- setzt. Der Füllstoff kann in zwei mehreren Fraktionen, multimodal, das Material, die Größe und/oder die Form betreffend, eingesetzt werden. Die Partikelgröße liegt bevorzugt im Bereich von 10 nm bis 20 ym, umfasst also den gesamten Bereich der Nano- und der Mik- ropartikel . Insbesondere wird zumindest eine Fraktion mit einer Partikel¬ größe im Bereich von lOOnm bis 15 ym und insbesondere bevor¬ zugt im Bereich von 500nm bis 10ym eingesetzt.
Es konnte nachgewiesen werden, dass der Kleber nach der Er- findung aufgrund seiner hohen Reaktionsfähigkeit, also der
Fähigkeit, covalente Bindungen auszubilden, mit metallischen und keramischen Fügepartnern hervorragend in der Lage ist, vergleichsweise geringe Wärmeübergangswiderstände im Verbund zu realisieren und dadurch hohe Wärmeleitfähigkeiten gegebe- nenfalls bei entsprechend hohen Füllgraden, zu erreichen.
Beispielsweise können gemäß der Erfindung Kleber realisiert werden, die im Verbund Wärmeleitfähigkeiten von 4 W/mK und höher zeigen.
Durch den erfindungsgemäßen Kleber wird es möglich, auf einige Nachteile des Standes der Technik, wie die Montageplatte und/oder eine regelmäßig zu erneuernden Wärmeleitpaste zu verzichten. Dabei ist es möglich, dass sich je nach Anwen- dungsfall doch eine Verwendung einer Montageplatte oder einer zusätzlichen Wärmeleitpaste empfiehlt, aber das ist gemäß der Erfindung nicht mehr so zwingend, wie nach dem Stand der Technik . Als Ausführungsbeispiel zur Erläuterung der Erfindung wurde eine Silicium-Waferklebung mit einem Silikon durchgeführt.
Dazu wurden jeweils zwei lxlcm große Si-Waferstücke mit den entsprechenden Materialien z.B. mittels Spin- Coating oder Tauchbeschichtung beschichtet und danach direkt unter Zuhilfenahme von entsprechenden Abstandshaltern miteinander verklebt. Nach einer thermischen Aushärtung wurde die Wärmeleitfähigkeit des Verbundes als Einschichtmessung ermittelt und mit einer Silikon-Verklebung verglichen. In beiden Fällen betrug die Klebstoffdicke 25 ym und der Gesamtverbund wies eine Dicke von 0,6 mm auf. Ergebnis:
In einem Temperaturbereich von 25 — 150 °C zeigte der Verbund mit dem Beispielklebstoff eine Wärmeleitfähigkeit von 8,5 — 7,5 W/m*K. Im Vergleich dazu wies der Klebeverbund mit dem herkömmlich eingesetzten Silikon eine Wärmeleitfä- higkeit von 2,5 — 2,4 W/m*K bei vergleichbarer Klebe- schichtdicke bzw. Gesamtverbundschichtdicke auf.
Die Figur zeigt die graphische Darstellung der verglichenen Klebstoffe, dem herkömmlichen Silicium-Silikon-Verbund nach dem Stand der Technik einerseits und den Verbund gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Silicium-Hybrid- Verbund. Der Silicium-Hybrid-Verbund hat eine deutlich ge¬ steigerte Wärmeleitfähigkeit von 8,6 W/mK im Vergleich zum Silicium-Silikon-Verbund, der nahezu unabhängig von der Tem- peratur eine Wärmeleitfähigkeit von 2,5 W/mK zeigt.
Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines Klebstoffes :
0,05 mol Aluminium-sec-butoxid wurde in Ethyl-aceto-acetat gelöst. Parallel wurde 0,012 mol Aminopropyl-trimethoxy- silan in 0,15 mol Glycidoxypropyl-tri methoxysilan gerührt. Lösung 1 wurde anschließend zugegeben und für weitere 60 min gerührt. Anschließend wurde HCl langsam unter weiterer Küh¬ lung zugetropft. Die so erhaltene Lösung rührte unter Küh- lung (2h) bis zum Folgetag und konnte als Klebstoff verwendet werden .
Härtung des so erhaltenen Klebstoffs: Nach Herstellen des Verbundes lüftet der Klebstoff ab. An¬ schließend erfolgt eine thermische Härtung. Die Erfindung betrifft einen Kleber zur wärmeleitenden Verbindung eines Keramiksubstrates, insbesondere einer leis¬ tungselektronischen Baugruppe mit einem Kühlkörper und einen Verbund aus einem Kühlkörper und einem Keramiksubstrat mit diesem Kleber. Durch den Einsatz hybrider metallorganischer Verbindungen und/oder Wassergläser als Kleber werden hohe Vernetzungsgrade und/oder die Ausbildung covalenter Bindungen zwischen dem Kleber und den Fügepartnern und/oder den FüllstoffPartikeln wird eine deutliche Steigerung der Wärmeleit¬ fähigkeit erreicht, so dass die wärmeleitfähige Kleberschicht einen gegenüber dem Stand der Technik deutlich erniedrigten Wärmeleitwiderstand zeigt und damit die Entwärmungskette we¬ niger stark belastet als dies durch die herkömmlichen Füge- und/oder Verbindungsmethoden üblich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Kleber für die Verbindung eines zumindest einseitig meta¬ llisierten Keramiksubstrates, das eine leistungselektronische Baugruppe trägt, mit einem, bevorzugt metallischen, Kühlkör¬ per, wobei das Keramiksubstrat auf dem Kühlkörper aufliegt und der Kleber so beschaffen ist, das er mit optional enthal¬ tenden wärmeleitfähigen Füllstoffen, mit der zu verbindenden Oberfläche des Keramiksubstrats und/oder mit der metallischen Oberfläche des Kühlkörpers zumindest teilweise kovalente Bin¬ dungen ausbildet.
2. Kleber nach Anspruch 1, wobei der unvernetzte Kleber auf Basis eines Materials aus der Verbindungsklasse der hybridor- ganischen Metalloxide, insbesondere der hybridorganischen Übergangsmetalloxide, sowie aus der Verbindungsklasse der Wassergläser, ist.
3. Kleber nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, wo- bei das hybridorganische Metalloxid beispielsweise eine orga¬ nische, also kohlenstoffhaltige Verbindung mit einem Alumini¬ um-, Zirkon-, Bor-, Titan- und/oder Silicium-Kation umfasst.
4. Kleber nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das hybridorganische Metalloxid zumindest eine organische Verbin¬ dung mit einem ein- oder mehrfach negativ geladenen Rest umfasst, der eine oder mehrere organische funktionelle und re¬ aktive Gruppen trägt, die ausgewählt sind aus den folgenden zur Vernetzung geeigneten funktionellen Gruppen oder Substi- tuenten: Halogen- (substituent) -, also Fluor-, Chlor-, Brom- , Jod-; Pseudohalogen-, Amino-, Amid-, Aldehyd- , Keto-,
Carboxy-, Thiol-, Hydroxy-, Acryloxy -, Methacryloxy- , Epoxy-, Isocyanat, Vinyl-, -ester-, - Ether-gruppe (n) .
5. Kleber nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der
Kleber auf Basis eines so genannten Wasserglases, also einer Silikat- und/oder wasserglas-ähnlichen Verbindung mit Strukturelementen wie -Si-0-Si-, -A1-0-A1-, -Si-0-Al-, -Si-0-Zr- , -Zr-O-Zr-, -Ti-O-Zr-, -Si-O-Ti-, -Al-O-Ti-, -Ti-O-Ti-, - Zr-O-Zr-, -Al-O-Ti- und/oder -Al-O-Zr-Bindungen, sowie beliebiger Copolymere, Blends und/oder Mischungen von Verbindungen, die diese Strukturelemente umfassen und/oder deren chemischen Eigenschaften von diesen Strukturelementen geprägt sind, vorliegt.
6. Kleber nach einem der vorstehenden Ansprüche, der Füllstoffe, die mono- oder multimodal vorliegen, umfasst.
7. Verbund aus einem Kühlkörper und einem Keramiksubstrat, wobei der Verbund durch Verklebung mit einem Kleber nach einem der Ansprüche 1 bis 6 herstellbar ist.
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