專利名稱：基板的制作方法
技術領域：
本發明涉及基板、特別是用于功率模塊的基板。
背景技術：
熱管理是功率模塊封裝或高功率半導體的關鍵問題之一，因為功率半導體的使用導致損耗，其產生熱。在芯片(die)處產生的熱必須通過散熱器排出到環境中。模塊安裝在該散熱器上并且熱流過模塊的內部結構、通過基板到散熱器，在該散熱器中基板是熱阻的主要貢獻之一。因此，基板的熱阻的優化和降低對高功率半導體模塊的熱管理和可靠性以及壽命有重大影響。從EP 2 012 354 Al獲知用于功率模塊的基板，其包括鋁碳化硅復合物和鋁層，這些鋁層在該鋁碳化硅復合物的相應主平面上形成，這些鋁層由包含鋁作為主要成分的金屬制成。為了減小基板與散熱鰭片或散熱器之間的間隙，基板形成為具有凸起的弓形。從EP 1 973 157 Al獲知用于功率模塊的基板，包括鋁碳化硅復合物，其是用包含鋁作為主要成分的金屬浸漬的平板型的碳化硅多孔體；和僅在該鋁碳化硅復合物的主平面中的一個上形成的鋁層，其由包含鋁作為主要成分的金屬制成。再次，基板形成為具有凸起的弓形以便減小基板與散熱鰭片或散熱器之間的間隙。這些基板具有適應于散熱器表面的形貌或粗糙度的有限能力。這可導致在基板和散熱器的表面之間形成體積大的空穴，由此降低散熱性。此外，這些基板通常固定于功率模塊的內部結構以及固定于具有內張力的散熱器以便獲得足夠的散熱性。因此，可能存在基板開裂的風險。從PCIM 2009 歐洲會議議程 Ayumi Maruta、Mitsuharu Tabata 的 2500A/1200V 雙 IGBT模塊獲知的是功率模塊的布局，該功率模塊包括冷卻鰭片，在其上設置多個分開的基板或基板段。在基板與散熱器聯接的情況下，通常具有高導熱率的散熱油脂、凝膠或墊施加于要聯接的部分，并且基板由螺釘穿過基板的外圍部分中提供的孔而固定到散熱器或散熱單元。在如上文描述的布局中，有時不能完全避免在相應的基板之間形成間隙。這些間隙的形成從而可導致通過這些間隙的油脂泄露或導致例如凝膠、其他微粒或類似物的低分子量的分子等物質從模塊內部擴散到外部。油脂的損耗可導致從基板到散熱器的散熱效果可能降低的劣勢。

發明內容
因此本發明的目的是提供改進的基板，其將消除本領域中已知的劣勢中的至少一個。該目的由根據權利要求1的基板實現。本發明的優選實施例在從屬的權利要求中限定。根據本發明的基板特別適合于功率模塊。該基板包括由金屬(特別是鋁)形成的基體，其中在所述基體中提供互相并列的至少兩個增強物，并且其中這些增強物互相隔開。因此，根據本發明，基板具有至少兩個獨立的并且分開的增強物，其可充當熱分散器(heat spreader)的作用以從功率模塊或從功率模塊的內部結構排出熱到散熱器。分開的增強物由此設置在基體中并且從而可形成嵌件，其優選地全部嵌入基體中。增強物與基體相比由此更堅硬(stiff)，該基體進而與增強物相比更有延展性 (ductile)。從而穩定性主要由增強物形成，而基體本身由更柔韌的材料形成。優選地，更有延展性的基體材料完全環繞堅硬的增強物并且使增強物結合在一起。由于增強物(其具有大的結構強度)的不連續結構，基板在某些限制內整體上是柔韌的，尤其在增強物之間的間隙處。如果基體由例如鋁等延展性金屬形成，則該效果尤其明顯。根據本發明，在這方面，由鋁形成的基體意味著基體由純鋁或具有鋁作為主要構成的金屬形成。因為增強物本身可互相獨立地做出反應，根據本發明的基板從而可非常好地適應于散熱器表面的幾何形狀和形貌。盡管散熱器可能會有粗糙表面或不期望的不平整，該適用性導致散熱器的表面和基板之間非常緊密的接觸。該非常緊密的接觸導致防止在散熱器的表面和基板之間的許多體積大的絕熱空穴并且從而導致基板之間傳熱改善。包括根據本發明的基板的功率模塊的散熱性因此改善。另外，由于提供獨立的和分開的增強物，基板中的內應力大大減小，這導致開裂的風險低很多和從而毀壞基板的風險低很多?；宓哪途眯曰驂勖鼜亩岣摺＝又?，功率模塊內部的應力減小。作為示例，在功率模塊的安裝期間提供較小的襯底彎曲。此外，由于不連續和分開的增強物設置在連續的和更有延展性的基體材料中這一事實，散熱器整體上由基板覆蓋。因此，例如由于溫度升高引起的散熱油脂泄露可安全地避免。如此，泄露將導致散熱性降低，散熱性的耐久性提高。因此，提供如在目前技術發展水平中已知的若干基板的劣勢被消除。另外，污染可安全地避免。增強物以及環繞材料(即基體)優選地采用板型的方式形成。根據本發明，詞語 “板型”將意指寬度和/或長度相對于高度較大。這使基板能夠在功率模塊中很好地引入和使用，由此能夠使散熱性良好。在本發明的優選實施例中，沿著基板的長度以及沿著基板的寬度在基體中提供多個用于使基板固定到散熱器的通孔，其中在沿著基板的寬度的通孔之間沒有提供增強物。 詳細地，沿著基板的長度優選地提供兩個以上通孔，而沿著寬度兩個通孔可以是足夠的。這使基板能夠提高柔韌性并且此外減小基板內部的應力。在基體的區域中，材料是有延展性的，從而使基板例如能夠牢固地固定到散熱器。沿著寬度或沿著長度將意指大致上在寬度或長度方向上延伸的一條線中提供通孔。寬度由此將意指基板的較短的邊，而長度將意指基板的較長的邊。在本發明的另外的優選實施例中，該至少兩個增強物由碳化硅(SiC)形成。這是陶瓷增強物，其具有導致復合物良好穩定性的高的機械強度。此外，碳化硅陶瓷在它們的壽命期間不改變它們的形狀、體積或性質。例如而且鋁尤其結合由鋁形成的基體時也具有關于耐久性和熱穩定性的良好的穩定性能，安裝的基板沒有塑性變形和內裂發生。另外，碳化硅展現高的導熱率，其位于超過180W/mK的范圍中，特定地在180W/ mK-200W/mK的范圍中。因此，該材料和從而根據本發明的基板具有非常好的排熱性能。然而，可使用適合的每個材料組合。根據本發明的另外的實施例，增強物設置成互相距離在Imm至5mm的范圍中，特定地是3mm。該設置允許用增強物良好地覆蓋散熱器，由此允許增強物互相獨立地起作用并且基板是柔韌的。這使基板能夠與散熱器的表面緊密地接觸。根據本發明的再另外的實施例，基板至少部分形成為弓形。這使在散熱器的表面和基板之間潛在存在的間隙減小。因此，在該實施例中，基板與散熱器的表面的接觸可再進一步改善。由于提供獨立的和分開的增強物，根據本發明的基板由此能夠承受彎曲應力。關于這方面，弓形的優選的幾何形狀可由最大弓形撓曲高度(其優選地是 100 μ m士50 μ m)限定。這樣的弓形具有關于散熱器和基板之間的接觸的改善的性質。由于嵌入基體中的增強物互相分開這一事實，可僅在基板的寬度上形成弓形。在基板的全長上形成弓形是不必要的；該長度可減少至僅基板的一半或三分之一。在備選中， 完全避免在基板的長度上的弓形。這導致必須按壓或形成僅一個彎曲部分的優勢?；鍙亩缮a為具有更高的再現性并且采用不太復雜的方式生產。根據本發明的再另一個實施例，所有增強物一起具有相對于基板的尺寸至少70% 的尺寸，特定地相對于基板的尺寸至少85%的尺寸。這導致足夠高的排熱性，其主要受到所述增強物的影響。然而，基板的柔韌性足以獲得基板對散熱器表面的優秀的適應性。另夕卜，由于所述增強物的結構強度，可形成穩定的弓形，這些弓形甚至在將基板橫跨到功率模塊的內部結構的散熱器之后保持它們的結構。該尺寸由此對應于相對于基體的表面或基板本身的尺寸的所有增強物的表面。根據本發明的另一個優選的實施例，基體形成為在增強物上以及在增強物之間形成的金屬層。在該實施例中，根據本發明的基板可采用容易的方式生產，其導致在形成期間節省成本以及節省時間。在這方面，優選地是，增強物由金屬層全部覆蓋。這使根據本發明的基板能夠具有增強的結構穩定性。此外，尤其如果延展性金屬用于形成基體，基板和冷卻鰭片之間的接觸
進一步改善。根據本發明的另外的優選實施例，基板的熱膨脹系數(CTE)的最大值位于Sppm/ k-12ppm/k的范圍中，特定地在10ppm/k。這使基板能夠與功率模塊的內部部件的熱膨脹系數匹配。熱應力從而可以最小化，這提高功率模塊的耐久性。


本發明的主旨的另外的特征、特性和優勢在從屬權利要求、圖和相應的圖和示例的下列說明中公開，其采用示范性的方式示出根據本發明的基板的一個實施例和示例。在圖中圖1示出功率模塊的設置的截面側視圖；圖2示出根據本發明的第一實施例的基板的頂視圖和側視圖；圖3示出根據本發明的另外的實施例的基板的頂視圖和側視圖；圖4示出根據本發明的另外的實施例的基板的頂視圖和側視圖；圖5示出根據本發明的另外的實施例的基板的頂視圖和側視圖；圖6a和6b示出根據目前技術發展水平的基板和散熱器之間的接觸與根據本發明的基板和散熱器之間的接觸的對比。
具體實施例方式在圖1中，示意地示出功率模塊10的設置。詳細地，描述所述功率模塊10的內部結構。該功率模塊10包括外殼12，在其中設置至少一個功率半導體裝置14。該半導體裝置14采用示范性的方式可以是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、二極管、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)或類似物。根據圖1，提供二極管和IGBT。該半導體裝置14或多個半導體裝置14通過端子16并且優選地通過輔助端子18能連接，其中該半導體裝置14優選地由鋁接合線20接合。作為絕緣體，環氧樹脂層22可設置在半導體裝置14上。半導體裝置14可進一步設置在襯底M上，該襯底M可形成作為氮化鋁陶瓷絕緣體。端子16以及輔助端子18通過金屬化結構26(特別是銅金屬化結構)和焊料觀(或lot)連接到襯底Μ。然而，可應用例如超聲焊接等相當的連接。另外，襯底24在它的底側連接到另外的金屬化結構30，特別是銅金屬化結構。外殼12內部余下的體積用例如絕緣凝膠32填充。在操作期間，由于導電體中的電阻，功率模塊10產生許多熱能或熱。因此，產生的熱必須從功率模塊10的內部排散到它的外部。為了該目的，功率模塊10包括基板34。該基板34在它的上側通過金屬化結構30和焊料31與半導體裝置14熱接觸，并且此外還與冷卻鰭片或散熱器36熱接觸。在基板34和散熱器36之間提供例如散熱油脂、凝膠或墊等導熱層35。一般地，散熱器36由具有高導熱率的材料形成并且其允許從功率模塊10的內部排散熱能或熱到環境。從而，熱從功率模塊10的內部結構流動通過基板34和散熱器36到功率模塊10的外部以便保證功率模塊10正常工作。根據本發明的基板34在圖2中示意地示出。該基板34包括由金屬形成的基體 38。優選地，基體38由鋁形成。該金屬相當有延展性并且可變形以獲得與散熱器36的表面非常緊密的接觸。然而，基體38可由適合的任何金屬形成。特定地，接著鋁之后，包括鋁作為成分并且尤其作為其主要成分的合金是優選的。為了進一步改善基板34和散熱器36之間的接觸，基板34的表面粗糙度必須盡可能低。表面粗糙度的合適的值位于<3μπι的范圍中，特定地<2.3μπι。這減少具有大體積的空穴的形成和基板34與散熱器36之間的功率模塊10的散熱性惡化。在基體38中，提供用于將基板34固定到散熱器36的通孔40。因為增強物42難以加工，這些通孔40在基體38或塊狀材料中形成?；?4固定到散熱器36可由旋進所述散熱器36中的螺釘或通過將基板34牢固地固定到散熱器36的另一個連接實現。為了能夠良好散熱，至少兩個增強物42設置在基體38中。這些增強物42互相分開，使得它們彼此并列安置但相隔設置。特別地，這些增強物42典型地由陶瓷化合物(尤其是碳化硅(SiC))制成并且因此提供優秀的導熱性。碳化硅特別允許這些增強物42具有良好的結構強度并且此外還具有良好的散熱性。優選地是，沿著基板34的長度以及寬度在基體38中提供多個通孔40，其中在沿著基板34的寬度的這些通孔40之間沒有提供增強物42。圖2的實施例包括非限制性方式中的三個增強物42。它們嵌入基體38的金屬中并且優選地由所述金屬或基體38完全覆蓋。在優選的示例中，基體38和從而基板34可具有在120mmX 160mm至170mmX 210mm的范圍中的尺寸。在特別優選的示例中，基板34可在 137mmX 187mm的尺寸中形成。每個增強物可形成至少50mmX IOOmm的尺寸，在優選的實施例中是 57mmX 104mm。在根據圖2的示例中，增強物42全部嵌入基體38的延展性材料或鋁材料中。另夕卜，增強物42的陶瓷材料的空穴或孔用基體38的材料(特別是鋁)完全填充，該基體38 的材料從而優選地完全覆蓋增強物以及增強物與增強物之間的所有間隙。基板34必須滿足不同的功能/要求。它必須將熱從功率模塊10的內部傳導到環境。基板34從而充當熱分散器的作用以將它的表面上的熱傳到散熱器36。因此導熱率必須盡可能高(> 180W/(mK) (20°C ))。這通過用鋁形成基體38和通過分別使用碳化硅作為嵌件或增強物42的材料而實現。為了獲得基板34和散熱器36之間盡可能緊密的表面接觸，基板36的底側可彎曲。這在沿著線B-B’的剖視圖中明顯可見，其由圖2中的標號X限定。由于基板34的彎曲的幾何形狀或弓形的形成，在固定到散熱器36期間，基板34橫跨散熱器36，這導致基板 34與散熱器36的改善的接觸。然而，根據本發明，基板34僅部分形成為弓形，這是足夠的。 這意指彎曲部分可局限于在基板34的寬度上形成的弓形，如可以從圖1的剖視圖X中看到的。相比之下，在基板34的長度上的彎曲部分是不必要的，如可從橫穿線A-A’的剖視圖中看到的，其由圖1中的標號Y限定。然而，根據基板34的期望的性質，當然能夠形成具有沿著基板34的長度(例如沿著全長、半長或三分之一長)的弓形的基板34。根據本發明，寬度是相對于基板的長度的基板的較短的邊。另外，根據本發明的基板34的最大弓形撓曲高度可是100 μ m士50 μ m。良好的抗彎強度和斷裂韌度從而對于防止開裂是有用的?；?4的抗彎強度可位于300MPa和500MPa之間的范圍中，特定地在400MPa，而斷裂韌度可位于7MPa m1/2至9MPa m1/2的范圍中，特定地在8. IMPa mV2。根據本發明制備基板34的過程可如下。首先，生產陶瓷預制件。這可例如通過燒結例如具有開孔(特別是泡沫形式的) 的陶瓷材料(優選地是碳化硅)而實現。在另外的步驟中，如必要的話，這樣制備的預制件可進行形狀加工。作為示例，該預制件可沖壓或加工以獲得期望的形狀或幾何形狀。該預制件的形狀優選地是長方形或正方形。然而，根據散熱器36的幾何形狀，增強物42可具有可安置在散熱器36上使得基板34與所述散熱器36緊密接觸的任何形狀。在采用期望的方式將預制件進行形狀加工后，這些預制件中的至少兩個置于模板中。然后，液態金屬(優選地是鋁)在高溫和高壓下滲入該模板中，由此填充預制件的孔和復合物與復合物之間的間隙。關于增強物42的碳化硅的含量可以是62體積％ -28體積％以獲得最佳機械塊體性質。另外，這些預制件優選地由金屬全部覆蓋。描述的過程使增強物42能夠嵌入金屬材料中，這使金屬材料能夠形成在其中設置增強物42的基體38。因此，該基體38可通過用金屬材料(優選地用鋁)覆蓋預制件而形成。關于上文，優選地是，定位增強物42使得增強物42設置成具有Imm至5mm的范圍中的距離，特定地是3mm。增強物42之間的這樣的距離是基本的以提供基板34的足夠的柔韌性。如果增強物42被安置離彼此太近，因為增強物42的剛度和結構強度，這樣的柔韌性將被抑制。然而，為了獲得足夠的散熱，增強物42的距離應該被限制。另外，如果增強物42定位成互相之間的距離降到某一水平以下，在基體材料中將形成開裂的風險可由于塑性變形超過基體材料的潛能這一事實而發生。從而基體38和增強物42之間的接觸帶處的應力可太高。在圖3中，示出根據本發明的基板34的另外的示例。根據圖3，同樣是，基板34包括三個增強物42。然而，如可清楚地看到的，增強物42可具有相對于圖2大得多的表面。 根據圖3，基體38或金屬化合物主要由在增強物42上提供的層或金屬涂層形成，由此填充相應的增強物42之間的間隙。在該情況下，散熱能力相對于圖2更大。根據本發明的基板34的再另外的實施例在圖4中示出。根據圖4的實施例一般對應于圖2的實施例。然而，根據圖4，僅呈現兩個而不是三個增強物42。在該實施例中，基板34本身可更小，這導致基板34可在更小的功率模塊中使用的優勢。通過提供連續基體38 (在其中設置兩個分開的增強物42)，基板34仍足夠柔韌以導致基板34和散熱器36的表面之間改善的接觸。在該實施例的優選示例中，基體38和從而基板34可具有在120mmX IOOmm至170mmX 150mm的范圍中的尺寸。在特別優選的示例中，基板34可采用 137mmX 127mm的尺寸形成。每個增強物42可形成為至少50mmX IOOmm的尺寸，在優選的實施例中是57mm X 104mm。在圖5中示出本發明的另外的實施例，其涉及基板34，該基板34仍包括兩個增強物42。在該實施例中，該基板34與圖3的相當，尤其關于增強物42的大小是相當的。在圖6a和6b中，示意地示出根據目前技術發展水平的基板46和散熱器36的表面44之間的接觸相對于根據本發明的基板34與散熱器36的表面44之間的接觸的對比。根據圖6a，示出根據目前技術發展水平的基板46，其與散熱器36的表面44接觸。 該基板46包括由金屬層50覆蓋的增強物48。該金屬層50以及該增強物48采用連續的方式形成。由于表面44的粗糙度，在該板46和該散熱器36的表面44之間形成空穴52。這些空穴52 —般防止該基板46和該散熱器36之間良好的熱流動，由此使散熱性惡化。根據圖6b，示出根據本發明的基板34。該基板34包括連續基體38，在其中設置至少兩個(根據圖6b是三個)分開的和獨立的增強物42。由于該基體38的柔韌性(尤其在這些增強物42之間的間隙區域中)，該基板34具有變形或彎曲并且從而適應于散熱器36 的表面44的形貌的能力。這允許潛在存在的空穴52小得多。因此，在該基板34和表面50 之間達到更為緊密的接觸。散熱性從而提高。對公開的實施例的其他變化形式可以被本領域內技術人員從對附圖、公開和附上的權利要求的學習而在實踐要求權利的發明中理解和實現。在權利要求中，單詞“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”不排除多數。純粹的事實是，某些措施在互相不同的從屬權利要求中陳述不指示這些措施的組合不可以有利地使用。在權利要求中的任何標號不應該解釋為限制范圍。標號列表
權利要求
1.基板、特別是用于功率模塊(10)的基板，其包括由金屬、特別是鋁形成的基體(38)， 其中在所述基體(38)中提供互相并列的至少兩個增強物(42)，并且其中所述增強物02) 互相隔開。
2.如權利要求1所述的基板，其中沿著基板(34)的長度以及寬度在所述基體(38)中提供多個用于將所述基板(34)固定到散熱器(36)的通孔(40)，其中沿著所述基板(34)的寬度的通孔GO)之間沒有提供增強物02)。
3.如權利要求1或2所述的基板，其中所述至少兩個增強物02)由碳化硅形成。
4.如權利要求1-3中任一項所述的基板，其中所述增強物G2)設置成互相距離在Imm 至5mm的范圍中，特別地是3mm。
5.如權利要求1-4中任一項所述的基板，其中所述基板(34)至少部分形成為弓形。
6.如權利要求5所述的基板，其中最大弓形撓曲高度是100μ m士50 μ m。
7.如權利要求5或6所述的基板，其中弓形僅在所述基板(34)的寬度上形成。
8.如權利要求1-7中任一項所述的基板，其中所有增強物0 —起具有相對于所述基板(34)的尺寸至少70%的尺寸，特定地相對于所述基板(34)的尺寸至少85%的尺寸。
9.如權利要求1-8中任一項所述的基板，其中所述基體(38)形成為在所述增強物 (42)上和所述增強物0 之間形成的金屬層。
10.如權利要求1-9中任一項所述的基板，其中所述基板(34)熱膨脹系數的最大值位于8-12ppm/k的范圍中，特定地在10ppm/k。
全文摘要
本發明涉及基板、特別用于功率模塊(10)的基板，其包括由金屬、特別是鋁形成的基體(38)，其中在所述基體(38)中提供互相并列的至少兩個增強物(42)，并且其中這些增強物(42)互相隔開。根據本發明的基板(34)使該基板(34)和散熱器(36)之間的接觸能夠改善并且此外還提供增強的耐久性。
文檔編號H01L23/373GK102456640SQ20111036621
公開日2012年5月16日 申請日期2011年11月2日 優先權日2010年11月2日
發明者L·費勒, S·哈特曼 申請人:Abb技術有限公司