JP2012516558A - 複合構成部分および複合構成部分を製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、複合構成部分であって、第１の接合パートナ（２）と、第２の接合パートナ（３）と、第１の接合層（４）とが設けられていて、第１の接合層（４）が、第１の接合パートナ（２）と第２の接合パートナ（２）との間に配置されている形式のものに関する。本発明によれば、第１の接合層（４）に対して付加的に、少なくとも１つの第２の接合層（６）が第１の接合パートナ（２）と第２の接合パートナ（３）との間に設けられていて、第１の接合層（４）と第２の接合層（６）との間に少なくとも１つの中間層（５）が設けられる。

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の複合構成部分であって、第１の接合パートナと、少なくとも１つの第２の接合パートナとが設けられている形式のものに関する。第１の接合パートナが、電子素子、特にパワー半導体、または特に装着された、有利にはパワー半導体を装着された回路支持体であり、第２の接合パートナがヒートシンクであると有利である。さらに本発明は、請求項１３の上位概念部に記載の形式の、複合構成部分を製造する方法に関する。

現在、自動車用途のために、ＤＢＣ基板またはＡＭＢ基板上の出力回路またはＢ−ブリッジまたはＨ−ブリッジのような高い出力損失を有する電気的な回路は、熱伝導接着剤を介してヒートシンクに結合されている。電気的な回路に設けられた半導体の放散される熱量は、回路支持体と、接合箇所を形成する熱伝導接着剤とによって、ベースプレートまたはケーシング内に案内され、これにより、熱を少なくとも１つの電子的な素子から導出して、これにより電子的な素子を適切に冷却することができる。ベースプレートまたはケーシングは、やはり受動的にまたは能動的に、特に流れる媒体によって冷却され得る。上記複合構成部分では、熱伝導接着剤により形成された接合層が、熱導出に対する著しい隘路を、既に比較的短時間のパルス負荷時に形成するので不都合である。これに対して択一的には、実装された回路支持体と、ヒートシンクとの結合部が、はんだ材料を用いて提供される。はんだ材料は、熱伝導接着剤よりも高い熱伝導率を有している。しかし、この場合に不都合となるのは、複合構成部分の熱機械的な負荷によって、運転中にはんだの破壊が生じ得ることである。このことは、はんだ材料を用いた結合部がその寿命要求に基づいてしばしば有効ではないか、もしくは極めて小さな面しかはんだ材料を介して結合されていないことにつながる。

発明の開示
したがって、本発明の根底を成す課題は、冒頭で述べた形式の複合構成部分を改良して、良好な耐熱衝撃性（Temperaturwechselbestaendigkeit）および／または熱導出により優れた複合構成部分を提供することである。さらに、本発明の課題は、耐熱衝撃性の複合構成部分を製造する方法を提供することにある。

この課題は、複合構成部分に関しては、請求項１の特徴部に記載の特徴、すなわち複合構成部分であって、第１の接合パートナと、少なくとも１つの第２の接合パートナと、第１の接合層とが設けられていて、第１の接合層が、第１の接合パートナと第２の接合パートナとの間に配置されている形式のものにおいて、第１の接合層に対して付加的に、少なくとも１つの第２の接合層が、第１の接合パートナと第２の接合パートナとの間に設けられており、第１の接合層と、第２の接合層との間に、少なくとも１つの中間層が配置されていることにより解決される。複合構成部分を製造する方法に関しては、請求項１３の特徴部に記載の特徴、すなわち複合構成部分を製造する方法であって、第１の接合パートナを、少なくとも１つの第２の接合パートナに、少なくとも１つの第１の接合層を介して接合させる方法において、第１の接合パートナと第２の接合パートナとを接合させるために、付加的に少なくとも１つの第２の接合層と、第１の接合層と第２の接合層との間に配置されるべき中間層とを設けることにより解決される。本発明の有利な変化形は従属請求項に記載されている。本発明の枠内には、明細書、特許請求の範囲および／または図面に開示された少なくとも２つの特徴から成る全ての組合せが含まれる。繰り返しを防ぐために、装置に関して開示された特徴は、方法に関して開示されたものとしてもみなされ、請求可能であり得る。同様に方法に関して開示された特徴は、装置に関して開示されたものとしてもみなされ、請求可能であり得る。

本発明は、２つの接合パートナを、公知先行技術におけるように唯１つの接合層で互いに結合させるのではなく、少なくとも２つの接合層、有利にはもっぱら２つの接合層によって結合させ、この場合、これらの接合層の間には、少なくとも１つの、有利にはもっぱら１つの別の層、つまり１つの中間層が配置されている、という思想に基づいている。この場合、接合層は、各接合パートナを中間層に堅固に結合させ、かつ接合パートナと中間層との、必要となる電気的かつ／または機械的かつ／または熱的な結合を提供するという役割を有している。中間層は、その熱膨張係数が小さく、それにより複合構成部分の耐熱衝撃性を最適化することができるように選択されていると有利である。中間層の膨張特性が、接合パートナの少なくとも１つの膨張特性、有利には半導体の、特に回路側における膨張特性に少なくともほぼ一致していると特に極めて有利であり、この場合、膨張係数の差は許容されるが、この差はできるだけ小さいことが望ましい。有利には接合パートナの１つの熱膨張係数に類似した小さな熱膨張係数を有する中間層を設けることによって、複合構成部分の耐熱衝撃性が高められる。さらに、熱パルス（Waermepulse）の付加的な拡散が生じる。後述するように、接合層の少なくとも１つ、特に極めて有利には両方の接合層が焼結層であり、接合パートナと、有利には導電性かつ伝熱性である中間層との電気的、熱的かつ機械的な結合を保証するための特に金属製の焼結粒子を有する焼結層であると特に極めて有利である。中間層として、たとえばケイ素を使用することができる。

本発明はたとえば、電気的なパワーステアリングの出力最終段、特にハイブリット自動車での使用または電気自動車での使用におけるユニバーサルインバータユニットの出力最終段、特にハイブリット用の、特にスタータ／ジェネレータにおける制御エレクトロニクスのＤＣ／ＤＣコンバータの出力最終段、ジェネレータシールドにおける挿入ダイオード、たとえば炭化ケイ素のような高温安定性の半導体、または高温下で作動されかつセンサ近傍の評価エレクトロニクスを必要とするセンサ、ならびに光電装置のインバータに用いられるモジュール内で使用され得る。別の用途も同じく可能である。

冒頭で述べたように、本発明の改良形は、中間層の熱膨張係数が、第１の接合パートナおよび／または第２の接合パートナの熱膨張係数に少なくともほぼ一致する、という利点を有している。中間層の熱膨張係数が、接合パートナとして働く電気的かつ／または電子的な素子、有利には半導体、極めて有利にはパワー半導体、さらに有利には該パワー半導体の回路側に一致すると特に極めて有利である。中間層の材料が、電気的かつ／または電子的な素子のいずれかの材料に一致するとさらに有利である。

両接合パートナが、もっぱら３つの層、つまり第１の接合パートナに直接接触する第１の接合層と、第２の接合パートナに直接接触する第２の接合層と、第１の接合層と第２の接合層との間に配置された中間層とを介して互いに結合されていると特に有利である。

特に、接合層の少なくとも１つ、有利には両接合層が、焼結層として形成されている場合に、中間層が横方向で構造化されていると有利であり、これにより、それぞれ限られた面だけを金属製の少なくとも１つの焼結層に結合させることができる。これによって、温度変化に基づく機械的な応力を最低限に減じることができる。中間層の横方向の構造化に対して付加的にまたは択一的には、第１の接合層および／または第２の接合層を横方向で構造化することが可能である。中間層および／または第１の接合層および／または第２の接合層を既に構造化して、特に極めて有利には互いに横方向で間隔を置いた面区分として被着させる。

第１の接合層および／または第２の接合層および／または中間層が構造化されていて、この場合、それぞれの層に設けられた構造区分の間に少なくとも１つの流体通路、有利には流体通路網が形成されているようになっていて、流体通路網が、これらの流体通路網を通じて冷却流体、特に冷却ガスまたは冷却液を案内することができるように適しかつ規定されていると、さらに有利である。このようにして、付加的に熱を複合構成部分から搬出することができる。この場合、特に極めて有利には、流体通路または流体通路網は、中間層内に、当該中間層に設けられた構造区分の間に形成されている。換言すれば、結合層の少なくとも１つが構造化されていて、この場合、構造全体から熱を取り除くために、冷却流体を案内することができる中空スペースが生じるようにされる。最も単純な場合、冷却流体はガスであってよい。冷却液による通流は、時間当たりより多くの熱量を吸収することができるという利点を有している。

本発明の改良形は、流体通路および／または流体通路網に流体を供給するための手段が設けられている、という利点を有している。この場合、この手段は、最も単純な場合には、空気を流体通路もしくは流体通路網を通して吹き込みかつ／または吸い出すファン装置であってよい。冷却液が設けられている場合、流体通路および／または流体通路網に液体を供給するための手段がポンプを有していると有利である。

接合層の形成に関して、種々異なる可能性がある。冒頭で述べたように、接合層の少なくとも１つ、有利には両接合層が、特に金属製の焼結粒子を有する焼結層として形成されていると特に有利である。これによって、接合パートナと、中間層との熱的かつ電気的に最適な接続を達成することができる。付加的または択一的には、接合層の少なくとも１つを、接着剤層またははんだ層として、特に鉛フリーのはんだを利用して形成することができる。中間層を、合金により形成された勾配層（Gradienten-Schicht）または溶接により形成された層として形成することも可能である。複数の層、つまり第１の層および／または第２の層および／または中間層の少なくとも１つが、マイクロ構造化されかつ／またはナノ構造化されている場合に、たとえばソーラーセルにおいて光閉じ込め（Lichtfallen）として使用されているような、たとえばピラミッド構造、通路または類似の構造が実現されていると有利である。これにより、冷却通路内の熱伝達に用いられる表面を拡大することができる。１つの接合パートナ、有利にはヒートシンクが、改善された温度導出のために微視的に構造化されていることも可能である。

第１の接合層および／または第２の接合層および／または（有利には）中間層内に、少なくとも１つのセンサ、特に温度センサが導入されている実施形態が特に有利である。この温度センサは、接合パートナ、特に半導体の、最も熱い箇所で直接に温度を測定するのではなく、接合パートナ、特に半導体の下で温度を測定する。このことは、回路支持体におけるスペース節約が実現可能であり、かつ／または付加的な費用のかかる半導体表面を省くことができるという利点を有している。少なくとも１つのセンサ、有利には温度センサが、貫通接触部もしくはスルーコンタクトにより、１つの接合パートナ、特に回路支持体に導電接続されていると特に有利である。

第１の接合パートナが、電子構成部分、特に半導体素子、有利にはパワー半導体素子であるか、またはこれらを含んでいると特に極めて有利である。第１の接合パートナが、少なくとも１つの電子構成部分を装着された回路支持体であり、回路支持体が、第１の接合層を介して直接に中間層に接続されているとさらに有利である。第２の接合パートナがヒートシンク、特にベースプレート、冷却体、またはケーシングであると特に有利である。この場合、この第２の接合パートナが、第２の接合層を介して、特に有利にはケイ素から形成されている中間層に直接に接続されていると極めて有利である。

本発明は、複合構成部分、有利には上記のように形成された複合構成部分を製造する方法にも関する。本発明による方法は、少なくとも２つの、有利にはもっぱら２つの接合パートナを、少なくとも３つの、有利にはもっぱら３つの層、つまり第１の接合層、第２の接合層ならびに第１の接合層と第２の接合層との間に配置される中間層を介して互いに接合させることにより優れている。接合層の形成に関しては、複合構成部分につき記載したように、種々異なる可能性がある。接合層の少なくとも１つを焼結層、接着剤層またははんだ層として形成することができる。接合パートナの少なくとも１つへの層の被着に関しても、種々異なる可能性がある。したがって、少なくとも３つ、有利にはもっぱら３つの層を順次に接合パートナの１つの上に被着させ、その後に別の接合パートナを３つの層の上に被着させる実施形態が考えられる。さらに、各接合パートナに１つの接合層を備え、そのあとに接合層の１つに中間層を被着することも考え得る。

本発明による方法の有利な実施態様および改良形に関しては、複合構成部分の上記説明が参照される。上記説明からは方法の有利な実施態様を導き出すことができる。

本発明の別の利点、特徴および詳細は、以下の有利な実施形態の説明および図面につき明らかになる。

構造化されていない複数の接合層と、構造化されていない中間層とを備えた複合構成部分の第１の実施形態を示す図である。 中間層が横方向で構造化されている、複合構成部分の択一的な実施形態を示す図である。 第１の接合層および／または第２の接合層および／または中間層の構造化のための構造形状を示す図である。 第１の接合層および／または第２の接合層および／または中間層の構造化のための別の構造形状を示す図である。 第１の接合層および／または第２の接合層および／または中間層の構造化のためのさらに別の構造形状を示す図である。 中間層内にセンサが設けられており、該センサが第１の接合層を通って貫通接触されている、つまり第１の接合パートナに導電接続されている、複合構成部分の別の択一的な実施形態を示す図である。

図中、同一の素子および同一の機能を有する素子は同一の符号で示されている。

図１には、複合構成部分１の第１の実施形態が示されている。層配置構造（Schichtanordnung）を介して互いに機械的、熱的かつ電気的に結合された第１の接合パートナ２と、第２の接合パートナ３とが示されている。第１の接合パートナ２は、たとえば、少なくとも１つのパワー半導体を装着された回路支持体であり、第２の接合パートナ３は、ヒートシンク、特にベースプレート、冷却体、ベースプレートと冷却体とから成る組合せおよび／またはケーシングである。

両接合パートナ２，３の間には、前述の層配置構造が示されている。この層配置構造は、第１の接合層４と、この第１の接合層４に直接接触している中間層５とを有していて、また、中間層５は、直接に第２の接合層６に接触していて、また、第２の接合層６は第２の接合パートナ３を直接に中間層５に結合させている。両接合層４，６は、有利には同一に形成されているが、使用目的に応じて互いに異なって形成されていてもよい。有利には、第１の接合層４も第２の接合層６も、金属製の焼結粒子を有する焼結層である。図示された実施形態でケイ素から形成されている中間層５は、その熱膨張係数が、回路支持体に結合された半導体の回路側の熱膨張係数に一致していることにより優れている。

図２に示された複合構成部分１は、中間層５が横方向で構造化されていて、この場合、横方向で間隔を置いた複数の構造区分７の間に中空スペース８が形成されていて、中空スペース８が互いに網状に接続されていて、これにより流体通路網９を形成するようにされていることによって、上記の図１に示した複合構成部分１とは異なっている。流体通路網９を通じて、冷却流体、特に冷却ガスまたは冷却液を案内することができる。構造区分７が小さく選択されているほど、絶対的な結合面はより小さくなり、耐熱衝撃性はより改善される。

図３から図５は、結合層配置構造に設けられた層の１つを構造化するための種々異なる可能性を（閉じずに）示している。真ん中の中間層５がそのように構造化されると有利である。構造区分７は、図３に示した実施形態では、正方形に輪郭を描かれ、規則的な列および隙間で配置されている。

図４に示した実施形態では、構造区分７が、長方形に輪郭を描かれている、つまり幅方向の延在長さよりも大きな長手方向の延在長さを有していて、或る種の煉瓦壁模様に配置されている。

図５に示した実施形態では、構造区分７が六角形（蜜房形）に輪郭を描かれ配置されている。

図６は、複合構成部分１の別の択一的な実施形態を示している。この場合、複合構成部分１は第１の接合パートナ２および第２の接合パートナ３を有していて、これらの接合パートナ２，３は、第１の接合層４と、第２の接合層６と、これら第１の接合層４と第２の接合層６との間にサンドイッチ状に収容された中間層５とを備える層配置構造を介して互いに結合されている。図２に示した実施形態のように、中間層５は構造化されていて、この場合、横方向で間隔を置いた構造区分７の間に流体通路網９が形成されているようにされる。流体通路網９を通じて冷却流体を案内することができる。図６に示した実施形態は、中間層５内に温度センサとして形成されたセンサ１０が組み込まれていて、センサ１０が、貫通接触部もしくはスルーコンタクト１１によって、第１の接合パートナ２に導電接続されていることにより優れている。センサ１０により、第１の接合パートナ２の温度を測定し、特に監視することができる。

必要であれば、ヒートシンクとして形成された第２の接合パートナ３をマイクロ構造化することができる（図示せず）。これによって、温度をより良好に導出することができる。第２の接合パートナ３がさらに冷却リブを有していると有利である。

Claims (13)

1. 複合構成部分であって、第１の接合パートナ（２）と、少なくとも１つの第２の接合パートナ（３）と、第１の接合層（４）とが設けられていて、該第１の接合層（４）が、第１の接合パートナ（２）と第２の接合パートナ（３）との間に配置されている形式のものにおいて、
   第１の接合層（４）に対して付加的に、少なくとも１つの第２の接合層（６）が、第１の接合パートナ（２）と第２の接合パートナ（３）との間に設けられており、第１の接合層（４）と、第２の接合層（６）との間に、少なくとも１つの中間層（５）が配置されていることを特徴とする、複合構成部分。
2. 中間層（５）の熱膨張係数が、第１の接合パートナ（２）および／または第２の接合パートナ（３）の熱膨張係数に少なくともほぼ一致する、請求項１記載の複合構成部分。
3. 第１の接合層（４）が、第１の接合パートナ（２）を直接に中間層（５）に結合させ、前記第２の接合層（６）が、第２の接合パートナ（３）を直接に中間層（５）に結合させている、請求項１または２記載の複合構成部分。
4. 第１の接合層（４）および／または第２の接合層（６）および／または中間層（５）が、横方向で構造化されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の複合構成部分。
5. 第１の接合層（４）および／または第２の接合層（６）および／または中間層（５）に設けられた構造区分（７）の間で横方向に、冷却流体を導くための流体通路および／または流体通路網（９）が形成されている、請求項４記載の複合構成部分。
6. 流体通路および／または流体通路網（９）へ流体、特に冷却ガスまたは冷却液を供給するための手段が設けられている、請求項５記載の複合構成部分。
7. 第１の接合層（４）および／または第２の接合層（６）が、焼結層、接着剤層、はんだ層またはエラストマシーリング材料として形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の複合構成部分。
8. 第１の接合層（４）および／または第２の接合層（６）および／または中間層（５）が、マイクロ構造化されかつ／またはナノ構造化されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の複合構成部分。
9. 第１の接合層（４）および／または第２の接合層（６）および／または中間層（５）内に、少なくとも１つのアクチュエータ、特にペルチェ素子またはセンサ（１０）、特に温度センサおよび／または流量センサが設けられている、請求項１から８までいずれか１項記載の複合構成部分
10. 前記センサ（１０）が、第１の接合層（４）および／または第２の接合層（６）を通って貫通接触されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の複合構成部分。
11. 第１の接合パートナ（２）が、電子構成部分、特に半導体素子、有利にはパワー半導体素子および／または特に装着された回路支持体である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の複合構成部分。
12. 第２の接合パートナ（３）が、回路支持体またはヒートシンク、特にベースプレート、冷却体またはケーシングであるか、または別の構成群、特に論理構成群である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の複合構成部分。
13. 複合構成部分（１）、有利には請求項１から１２までのいずれか１項記載の複合構成部分を製造する方法であって、第１の接合パートナ（２）を、少なくとも１つの第２の接合パートナ（３）に、少なくとも１つの第１の接合層（４）を介して接合させる方法において、
    第１の接合パートナ（２）と第２の接合パートナ（３）とを接合させるために、付加的に、少なくとも１つの第２の接合層（６）と、第１の接合層（４）と第２の接合層（６）との間に配置されるべき中間層（５）とを設けることを特徴とする、複合構成部分を製造する方法。

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