BR112019014637B1 - Método para fabricar um módulo eletrônico de potência, substrato para um módulo eletrônico de potência, e, módulo eletrônico de potência - Google Patents

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Stéphane AZZOPARDI
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Abstract

um método para fabricar um módulo eletrônico de potência (20) por fabricação aditiva, o módulo eletrônico (20) compreendendo um substrato (21) incluindo uma placa eletricamente isolante (24) tendo primeira e segunda faces opostas (24a, 24b) e uma primeira camada metálica (25a) que é arranjada diretamente sobre a primeira face (24a) da placa isolante (24) e uma segunda camada metálica (25b) que é arranjada diretamente sobre a segunda face (25b) da placa isolante (24). pelo menos uma das camadas metálicas (25a) é produzida por meio de uma etapa (100) de depositar uma fina camada de cobre e uma etapa (110) de recozer a camada metálica (25a, 25b) e o método compreende adicionalmente uma etapa (120) de formar pelo menos uma camada de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276) sobre pelo menos uma dentre a primeira e a segunda camadas metálicas (25a, 25b), dita pelo menos uma camada de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276) incluindo um material tendo um coeficiente de dilatação térmica inferior àquele do metal da camada metálica (25a, 25b).

Description

Fundamentos da invenção
[001] A invenção se refere à fabricação de um substrato e um módulo eletrônico de potência.
[002] A presente invenção encontra uma aplicação particular no campo da aviação onde tensões térmicas podem ser severas.
[003] Módulos eletrônicos de potência são incluídos nos conversores necessários para eletrificar sistemas de propulsão e de não propulsão a bordo de aeronaves a fim de converter eletricidade proveniente da rede principal (115 volts de corrente alternada (V CA), 230 V CA, 540 V de corrente contínua (CC) ...) em várias formas (CA/CC, CC/CA, CA/CA e CC/CC).
[004] A Figura 1 mostra um exemplo de um módulo eletrônico de potência 1 conhecido na técnica anterior.
[005] O módulo eletrônico de potência 1 é constituído de um substrato 2 compreendendo uma camada eletricamente isolante 2a feita de material cerâmico que é disposta entre duas camadas metálicas 2b e 2c. As duas camadas metálicas são montadas na camada eletricamente isolante 2a por várias técnicas, por exemplo, aquelas conhecidas como brasagem (ou na terminologia inglesa “Active Metal Brazing” ou ainda “AMB”), por ligação direta do cobre (ou na terminologia inglesa “Direct Bonded Copper” ou ainda “DBC”),
[006] A camada metálica superior 2b do substrato 2 forma um circuito de potência sobre o qual componentes de semicondutor de potência 3 são montados. Como mostrado na Figura 1, o módulo eletrônico de potência 1 inclui uma junta de interconexão elétrica e/ou mecânica 4 e 14 pelo que os componentes de semicondutor de potência 3 e as conexões 11 são montados sobre o circuito de potência 2b. Como resultado de suas imperfeições, os componentes de semicondutor de potência 3 são as sedes de perdas por efeito Joule e eles constituem assim uma grande fonte de calor.
[007] Os componentes de semicondutor de potência 3 são subsequentemente interconectados eletricamente e com as conexões 11 por meio de cabeamento. Uma caixa 12, geralmente feita de polímero, é então ligada adesivamente por meio de uma junta adesiva 13 sobre o substrato 2 ou sobre uma placa de base de metal 5 sobre a qual o substrato 2 é disposto. A caixa 12 é então preenchida com um composto encapsulante 15, tal como um gel ou epóxi, de modo a prover os componentes de potência 3 e/ou o cabeamento 10 com proteção mecânica e elétrica.
[008] A camada metálica inferior 2c do substrato 2 é ajustada sobre a placa de base de metal 5, que serve para espalhar o fluxo de calor e provê uma conexão térmica com um dissipador de calor de metal 6. Como mostrado na Figura 1, o módulo eletrônico de potência 1 inclui uma junta de interconexão elétrica e/ou mecânica 7 prendendo a camada metálica inferior 2c do substrato 2 na placa de base 5.
[009] A placa de base 5 é por sua vez presa no dissipador de calor de metal 6 por meio de uma camada 8 de material de interface térmica, tal como uma graxa térmica, ou um filme de elastômero, ou ainda materiais de mudança de fase. A camada 8 de material de interface térmica serve para reduzir a resistência de contato térmica entre a placa de base 5 e o dissipador de calor 6 a fim de descarregar melhor o fluxo de calor. O dissipador de calor 6 tem aletas 9 para reduzir sua resistência térmica tanto quanto possível, as aletas 9 tendo um fluido de resfriamento passando entre elas, por exemplo ar.
[0010] Um tal módulo eletrônico de potência 1 apresenta, entretanto, diversas desvantagens.
[0011] A camada eletricamente isolante 2a do substrato 2 e o módulo 8 de material de interface térmica são camadas apresentando alta resistência térmica e assim baixa condução de calor. Eles assim limitam dissipação do calor gerado dentro dos componentes de semicondutor de potência 3 para o dissipador de calor 6 e o fluido de resfriamento. Além do mais, a camada 8 de material de interface térmica dá origem a uma resistência térmica que não é uniforme e que depende do posicionamento dos componentes de semicondutor de potência 3 sobre o circuito de potência, em particular se o circuito apresenta qualquer defeito de planicidade. A multiplicidade de camadas 2a, 2b, 2c, 4, 5, 7 e 8 entre os componentes de semicondutor de potência 3 e o dissipador de calor 6 também contribui para esta alta resistência térmica. Resfriamento do módulo eletrônico de potência 1 é assim limitado e o módulo eletrônico de potência 1 não é apropriado para aplicações a alta temperatura, ou seja, para temperaturas ambientes superiores ou iguais a 175°C como resultado da presença de materiais orgânicos (material de interface térmica, o composto encapsulante, a junta adesiva e a caixa), que geralmente degradam rapidamente acima de 175°C. Deve ser observado que componentes semicondutores de amplo intervalo de faixa (SiC, GaN, ...) podem operar além dos limites convencionais para componentes de Si (175°C) e a fim de aproveitar a possibilidade de operar a alta temperatura, todos os elementos que constituem o módulo eletrônico de potência precisam ser capazes de operar confiavelmente a alta temperatura.
[0012] Além do mais, soluções para montar as várias camadas 2a, 2b, 2c e 5 tendo coeficientes de dilatação térmica mutuamente diferentes tornam o módulo eletrônico de potência 1 sensível ao fenômeno de fadiga térmica, limitando deste modo a confiabilidade do módulo eletrônico de potência 1. A título de exemplo, estas soluções podem levar a trincamento na camada eletricamente isolante 2a do substrato 2 e/ou nas juntas de interconexão elétrica 4, 7.
[0013] Além do mais, a gravação realizada sobre a camada metálica superior 2b do substrato 2 dá origem a assimetria em relação à camada metálica inferior 2c em torno da camada eletricamente isolante 2a. Quando a temperatura sobe, por exemplo enquanto os componentes de semicondutor de potência 3 estão sendo montados sobre o substrato 2 ou enquanto o substrato 2 está sendo montado sobre a placa de base 5 ou enquanto o módulo eletrônico de potência 1 está em operação, isto tem o efeito de dar origem a tensões termomecânicas no substrato 2, levando à sua deformação. Esta deformação é referida como flexão e corresponde ao substrato 2 se curvar.
[0014] Tal flexão do substrato 2 cria um interstício que pode ser preenchido pela camada 8 de material de interface térmica. Entretanto, como explicado acima, esta camada 8 limita dissipação térmica entre os componentes de semicondutor de potência 3 e o dissipador de calor 6 e dá origem a resistência térmica não uniforme que depende do posicionamento dos componentes de semicondutor de potência 3 sobre o circuito de potência. Portanto não é possível compensar para a flexão do substrato 2 aumentando a espessura da camada 8 de material de interface térmica sem degradar ainda mais a dissipação de calor dentro do módulo eletrônico de potência 1.
Objetivo e sumário da invenção
[0015] A invenção busca mitigar os inconvenientes dos módulos eletrônico de potência acima mencionados.
[0016] A invenção propõe um método para fabricar um módulo eletrônico de potência por fabricação aditiva, o módulo eletrônico compreendendo um substrato tendo uma placa isolante, tal como uma placa cerâmica, apresentando primeira e segunda faces opostas, com uma primeira camada metálica arranjada diretamente sobre a primeira face da placa isolante e uma segunda camada metálica arranjada diretamente sobre a segunda face da placa isolante.
[0017] De acordo com uma característica geral da invenção, pelo menos uma das camadas metálicas é feita por uma etapa de depositar uma fina camada de metal e uma etapa de recozer a camada metálica, geralmente a uma temperatura de cerca de 700°C e o método compreende adicionalmente uma etapa de formar pelo menos uma camada de transição termomecânica sobre pelo menos uma dentre a primeira e a segunda camadas metálicas, dita pelo menos um camada de transição termomecânica compreendendo um material apresentando um coeficiente de dilatação térmica (CTE) que é inferior ao CTE do cobre.
[0018] A etapa de depositar uma fina camada de metal pode compreender deposição por serigrafia ou deposição de uma fina camada metálica usando uma pasta ou uma tinta utilizando técnicas conhecidas em inglês como “direct writing process” tais como as seguintes técnicas, por exemplo: “inkjet process”, “extrusion based process”, “aerosol based process”.
[0019] Como a camada de transição termomecânica do substrato da invenção apresenta um CTE que é inferior àquele da camada metálica, ela serve para aumentar a confiabilidade termomecânica do substrato em comparação com um substrato de cobre de ligação direta (DBC) e ela serve para limitar problemas associados com substratos se curvando, como observado com substratos de cerâmica (DBC e AMB).
[0020] O método de fabricação usando fabricação aditiva para cada etapa de formar uma nova camada do substrato possibilita que o método evite qualquer perda de material durante fabricação do módulo eletrônico de potência como resultado das camadas serem depositadas e fundidas seletivamente.
[0021] Fabricação aditiva (FA), também conhecida como impressão tridimensional (3D), é uma técnica que torna possível construir objetos por adição de camadas sucessivas. Uma fonte de potência provê energia a locais bem definidos do pó que foi depositado como uma camada que é fina (tipicamente <100 micrômetros (μm) de espessura), com a finalidade de aglomerar a mesma. Depositar camadas sucessivas e aglomerá-las seletivamente assim torna possível formar um material denso com um formato bem definido. A capacidade de selecionar qual porção é aglomerada assim possibilita que seja dado ao objeto diretamente um formato desejado mesmo se esse formato é complexo. Isto também serve para limita perdas de material, o que pode ser extremamente desejável para materiais que são caros e raros.
[0022] Especificamente, em um substrato convencional da técnica anterior, as camadas de cobre Cu sobre as faces superior e inferior cobrem as superfícies da cerâmica completamente e elas são aplicadas diretamente sobre a cerâmica usando tecnologia DBC ou usando tecnologia de brasagem AMB. Depois disso, uma etapa de gravar serve para remover cobre Cu localmente da face superior e fazer trilhas que não são eletricamente interconectadas e que servem para estabelecer um circuito elétrico.
[0023] Em um primeiro aspecto do método, dita pelo menos uma camada de transição termomecânica pode ser depositada por depósito de um leito de pó de material ou por aspersão do material em pó, o pó depositado sendo então curado por varredura com uma fonte de potência calorífica em uma atmosfera inerte.
[0024] Tipicamente, em substratos da técnica anterior, a espessura da cerâmica se situa na faixa 300 μm a 1000 μm e a espessura do cobre se situa na faixa 200 μm a 500 μm. Porém foi mostrado que quanto maior a espessura do cobre, mais baixa a confiabilidade do substrato durante ciclos térmicos o que leva a altos níveis de tensões termomecânicas.
[0025] A fabricação aditiva usada pelo método da invenção torna possível construir e usar camadas de cobre que são finas, ou seja, inferiores a 100 μm de espessura e mais particularmente de espessura situada na faixa 20 μm a 50 μm, deste modo provendo melhor confiabilidade. Além disso, superpor uma pluralidade de camadas de transição termomecânica feitas de materiais diferentes do cobre serve para aumentar a espessura das trilhas e assim para aumentar a corrente que essas trilhas podem conduzir sem limitar a confiabilidade dos substratos.
[0026] O uso de metais em fabricação aditiva geralmente requer uma fonte de potência apropriada para prover a potência necessária, por exemplo situada na faixa 100 watts (W) a 1 quilowatt (kW), a fim de fundir ou sinterizar o pó de metal depositado durante o processo de fabricação aditiva na forma de um leito de pó ou por aspersão localizada de pó. A fonte de potência (feixe laser ou feixe de elétrons) mira zonas é desejável ter material denso a fim de obter, em cada passe, uma camada que é densificada e curada.
[0027] A espessura típica de uma camada depositada pode se situar na faixa 20 μm a 150 μm. Uma nova camada é então depositada e curada por varredura da zone para cura com a fonte de potência. A sucessão de etapas de deposição de camadas e então densificação delas serve para obter o objeto com o formato desejado.
[0028] Em um segundo aspecto do método, os CTEs dos materiais usados para as camadas de transição termomecânica se situam na faixa 3 partes per milhão por grau Celsius (ppm/°C) a 17 ppm/°C.
[0029] As camadas de transição termomecânica assim apresentam CTEs situados entre o CTE da camada metálica e o CTE dos componentes de semicondutor de potência que devem ser montados sobre o módulo eletrônico de potência.
[0030] Em um terceiro aspecto do método, o substrato compreende, sobre pelo menos uma dentre a primeira e a segunda faces da placa isolante, um empilhamento de uma camada metálica e uma pluralidade de camadas de transição termomecânica, com dito pelo menos um empilhamento apresentando um gradiente em seu CTE.
[0031] Durante a ciclagem térmica, esta variação de CTE entre o cobre e os componentes de semicondutor de potência serve para minimizar tensões mecânicas tanto na cerâmica e também na junta de interconexão entre o metal e o semicondutor, as juntas de interconexão correspondendo a brasagem para montar o semicondutor sobre as camadas de camadas térmica e assim para obter melhor confiabilidade para os módulos eletrônicos de potência.
[0032] Em um quarto aspecto do método, o método compreende adicionalmente uma etapa de formar um radiador por fabricação aditiva a partir da última camada de transição termomecânica da segunda face do substrato, a segunda face do substrato tendo a segunda camada de cobre.
[0033] Formar uma camada de transição termomecânica incluindo um radiador por meio de fabricação aditiva torna possível reduzir a resistência térmica do módulo eletrônico de potência e eliminar o material de interface térmica que é usado na técnica anterior. O material de interface térmica é geralmente uma graxa térmica. Eliminar a interface térmica assim serve para eliminar os pontos fracos que são associados com a mesma, em particular a sua baixa condutividade térmica e a ser degradada em alta temperatura.
[0034] Isto também tem a consequência de possibilitar que o módulo eletrônico de potência seja usado em temperaturas muito altas e a alta potências.
[0035] Além disso, fabricar o radiador por fabricação aditiva torna possível te radiadores com formatos complexos que proveem resfriamento efetivo em ar e que são frequentemente demasiadamente complexos para fazer usando tecnologias convencionas para fabricar radiadores.
[0036] Em um quinto aspecto do método, o método compreende adicionalmente uma etapa de fazer uma caixa apropriada para proteger os componentes eletrônicos que devem ser montados sobre a primeira face do substrato e de fazer conexões apropriadas para conectar eletricamente o módulo eletrônico o elementos elétricos externos, a caixa e as conexões sendo feitas por fabricação aditiva a partir da última camada de transição termomecânica da primeira face do substrato, a primeira face do substrato tendo a primeira camada de cobre.
[0037] Fazer a caixa por fabricação aditiva a partir da última camada de transição termomecânica do substrato possibilita que caixas hermeticamente vedadas sejam feitas com isoladores (tais como gás isolante opcionalmente sob pressão, alto vácuo, líquido isolante, etc.) que são diferentes dos isoladores feito com os materiais orgânicos convencionalmente usados, tais como géis ou epóxi.
[0038] Além disso, fabricar a caixa de metal por impressão 3D torna possível eliminar os polímeros que estão presentes na técnica anterior na junta aditiva usada para ligar a caixa, na caixa e no gel de silicone encapsulando os componentes eletrônicos.
[0039] Eliminar polímeros, que apresentam baixa confiabilidade térmica a temperaturas mais altas que 175°C e eliminar o material de interface térmica, possibilita que o módulo eletrônico de potência seja usado a temperaturas mais altas do que 200°C.
[0040] Módulos eletrônicos de potência operando nesta faixa de temperatura são particularmente vantajosos para aplicações em aviação, uma vez que eles possibilitam que a eletrônica de controle seja movida para mais próximo das fontes de calor, por exemplo, tais como freios ou motores, deste modo obtendo sistemas que são mais integrados e assim tornando possível então ganhar volume.
[0041] O aumento da temperatura circundante que é tornado possível também possibilita que as dimensões do sistema de resfriamento sejam reduzidas e assim aumentar a densidade de potência do conversor de potência.
[0042] A caixa de metal também serve para prover o módulo eletrônico de potência de blindagem eletromagnética, deste modo reduzindo o efeito de perturbações eletromagnéticas externas sobre os componentes eletrônicos do módulo.
[0043] A invenção também provê um substrato para um módulo eletrônico de potência, o substrato compreendendo uma placa isolante apresentando primeira e segunda faces opostas, com uma primeira camada metálica arranjada diretamente sobre a primeira face da placa isolante e uma segunda camada metálica arranjada diretamente sobre a segunda face da placa isolante. O substrato compreende, sobre pelo menos uma dentre a primeira e a segunda camadas metálicas, pelo menos uma camada de transição termomecânica compreendendo um material apresentando um coeficiente de dilatação térmica inferior coeficiente de dilatação térmica do metal da camada metálica.
[0044] A invenção também provê um módulo eletrônico de potência compreendendo um substrato apresentando uma primeira face e uma segunda face oposta à primeira face e um radiador montado sobre a segunda face do substrato, a primeira face do substrato sendo para receber componentes eletrônicos, o substrato correspondendo ao substrato como definido acima.
Breve descrição desenhos
[0045] A invenção pode ser melhor entendida pela leitura da seguinte descrição dada a título de indicação não limitativa e com referência aos desenhos anexos, em que: - a Figura 1, descrita acima, mostra um exemplo de um módulo eletrônico de potência conhecido na técnica anterior; - a Figura 2 é um diagrama de um módulo eletrônico de potência em uma modalidade da invenção; e - a Figura 3 é um fluxograma de um método de fabricação de um módulo eletrônico de potência em uma implementação da invenção.
Descrição detalhada de modalidades
[0046] A Figura 2 é um diagrama de um módulo eletrônico de potência 20 em uma modalidade da invenção.
[0047] O módulo eletrônico de potência 20 compreende um substrato 21, uma caixa 22 e um radiador 23.
[0048] O substrato 21 compreende uma placa isolante 24 feita de cerâmica, por exemplo Al2O3 ou AlN, apresentando uma primeira face 24a e uma segunda face 24b oposta à primeira face 24a. A placa isolante 24 também tem uma primeira camada de cobre 25a e uma segunda camada de cobre 25b depositada por impressão por serigrafia, respectivamente sobre a primeira face 24a e sobre a segunda face 24b da placa isolante 24, cujas camadas de cobre foram submetidas a recozimento. A primeira camada de cobre 25a forma trilhas eletricamente condutoras para conexão a componentes eletrônicos 26 e a segunda camada de cobre 25b forma trilhas termicamente condutoras para acoplar termicamente ao radiador 23.
[0049] O substrato 21 também tem uma primeira superposição 27a de camadas de transição termomecânica e uma segunda superposição 27b de camadas de transição termomecânica.
[0050] A primeira superposição 27a é arranjada sobre a primeira camada de cobre 25a. Na modalidade mostrada, ela compreende três camadas de transição termomecânica que receberam as referências 271 a 273, cada camada de transição termomecânica 271 a 273 seno formada por fabricação aditiva usando um material eletricamente condutor que apresenta um coeficiente de dilatação térmica (CTE) que é inferior ao do cobre, onde o CTE de cobre é geralmente cerca de 17 ppm/°C.
[0051] Na modalidade mostrada na Figura 2, a primeira camada de transição termomecânica 271 da primeira superposição 27a apresenta um CTE de cerca de 13 ppm/°C, a segunda camada de transição termomecânica 272 apresenta um CTE de cerca de 10 ppm/°C e a terceira camada de transição termomecânica 273 apresenta um CTE de cerca de 7 ppm/°C. A primeira camada de transição termomecânica 271 da primeira superposição 27a se situa entre a primeira camada de cobre 25a e a segunda camada de transição termomecânica 272 e a segunda camada de transição termomecânica 272 se situa entre a primeira camada de transição termomecânica 271 e a terceira camada de transição termomecânica 273.
[0052] A primeira camada de cobre 25a e a primeira superposição 27a assim juntas formam um primeiro empilhamento 28a apresentando um gradiente de CTE, com CTE diminuindo com o aumento da distância da camada em relação à primeira face 24a da face isolante 24 de cerâmica.
[0053] A segunda superposição 27b é arranjada sobre a segunda camada de cobre 25b. Na modalidade mostrada, ela compreende três camadas de transição termomecânica referenciadas 274 a 276, cada camada de transição termomecânica 274 a 276 sendo feita por fabricação aditiva usando um material termicamente condutor apresentando um CTE que é inferior ao CTE do cobre.
[0054] Na modalidade mostrada na Figura 2, a primeira camada de transição termomecânica 274 da segunda superposição 27b apresenta um CTE de cerca de 13 ppm/°C, a segunda camada de transição termomecânica 275 apresenta um CTE de cerca de 10 ppm/°C e a terceira camada de transição termomecânica 276 apresenta um CTE de cerca de 7 ppm/°C. A primeira camada de transição termomecânica 274 da segunda superposição 27b se situa entre a segunda camada de cobre 25b e a segunda camada de transição termomecânica 275 e a segunda camada de transição termomecânica 275 se situa entre a primeira camada de transição termomecânica 274 e a terceira camada de transição termomecânica 276.
[0055] A segunda camada de cobre 25b e a segunda superposição 27b assim juntas formam um segundo empilhamento 28b apresentando um gradiente de CT, com CTE diminuindo em função da distância da superposição em afastamento da segunda face 24b da placa isolante 24 feita de cerâmica.
[0056] O substrato 21 compreende a placa isolante 24 feita de cerâmica, o primeiro empilhamento 28a e o segundo empilhamento 28b. Em cada um dos empilhamentos 28a e 28b, o CTE varia dentro do empilhamento, na modalidade mostrado, de 17 ppm/°C para a camada de cobre 25a ou 25b até um CTE superior ou igual a 3 ppm/°C a 4 ppm/°C a fim de se aproximar do CTE da placa isolante 24 feita de cerâmica, que apresenta um CTE de 7 ppm/°C ou de se aproximar do CTE dos componentes eletrônicos de semicondutor 26, que podem apresentar um CTE de cerca de 3 ppm/°C a 4 ppm/°C.
[0057] O gradiente de CTE apresentado pelo primeiro e segundo empilhamentos 28a e 28b do substrato serve para melhorar a confiabilidade do substrato e para oferecer pouca variação de curvatura em função de temperatura com camadas de metalização espessas.
[0058] Na modalidade mostrada na Figura 2, o radiador 23 do módulo eletrônico de potência 20 é feito a partir da terceira camada de transição termomecânica 276 da segunda superposição 27b.
[0059] Assim, o segundo empilhamento 28b inclui o radiador e é feito inteiramente por fabricação aditiva e it apresenta um gradiente de CTE tal seu CTE diminui gradualmente a partir da segunda camada de cobre 25b até o radiador 23.
[0060] De maneira similar, a caixa 22 do módulo eletrônico de potência 20 é feita a partir da terceira camada de transição termomecânica 273 da primeira superposição 27a. A caixa 22 serve para encapsular hermeticamente os componentes eletrônicos 26 montados sobre a terceira camada de transição termomecânica 273 da primeira superposição 27a.
[0061] Assim, o primeiro empilhamento 28a compreende a caixa 22 e é feito inteiramente por fabricação aditiva e ele apresenta um gradiente de CTE com seu CTE diminuindo gradualmente a partir da primeira camada de cobre 25a até a caixa 22.
[0062] O módulo eletrônico de potência 20 também tem conexões 29 possibilitando que o módulo eletrônico de potência 20 seja conectado a elementos elétricos externos que não são mostrados. As conexões 29 são igualmente feitas a partir da terceira camada de transição termomecânica 273 da primeira superposição 27a.
[0063] Por razões de simplificação e clareza na Figura 2, a porção formando a cobertura da caixa 22 não é mostrado, mas ela pode igualmente ser feita por fabricação aditiva, dado que ela é uma porção integrante da caixa 22, ou ainda ela pode ser feita separadamente e ligada à caixa posteriormente.
[0064] Na modalidade mostrada na Figura 2, os componentes eletrônicos 26 e em particular os componentes semicondutores, são fixados e conectados terceira camada de transição termomecânica 273 da primeira superposição por brasagem 30.
[0065] A Figura 3 mostra um fluxograma de uma implementação de um método da invenção para fabricar o módulo eletrônico de potência 20 mostrado na Figura 2.
[0066] Em uma primeira etapa 100 do método, respectivas camadas de uma pasta de cobre que é compatível com a cerâmica da placa 24 são depositadas sobre a primeira e a segunda faces 24a e 24b da placa isolante de cerâmica 24 por impressão por serigrafia, cujas camadas são finas, tipicamente apresentando espessura na faixa de 20 μm a 50 μm, a segunda face 24b correspondendo à face inferior na Figura 2 e a primeira face 24a correspondendo à face superior na Figura 2. Sobre a primeira face 24a, a pasta de cobre é depositada com padrões destinados para trilhas elétricas, enquanto que sobre a segunda face 24b, a pasta de cobre é depositada como uma placa sólida, ou seja, cobrindo toda a face inferior 24b da placa isolante 24, com a face inferior 24b sendo para resfriar o módulo eletrônico 20.
[0067] A título de exemplo, as pastas de cobre podem ser pastas industriais do tipo Heraeus ou C7720 que são compatíveis com uma placa de cerâmica feita de Al2O2, ou então pastas do tipo C7403 ou C7404, que são compatíveis com uma cerâmica de AlN.
[0068] Em variantes, o método pode também incluir usar outras técnicas para depositar finas camadas metálicas a partir de pastas ou tintas, tais como técnicas conhecidas como direct writing process (inkjet process, extrusion based process, aerosol based process,...).
[0069] Em uma próxima etapa 110, a primeira e a segunda camadas de pasta de cobre25a e 25b são então recozidas a uma temperatura de cerca de 700°C a fim de eliminar solventes e outros materiais orgânicos e a fim de sinterizar as partículas de cobre.
[0070] A primeira e a segunda camada de cobres 25a e 25b que são obtidas após recozimento proveem boa adesão com a cerâmica da placa isolante 24 e elas se ligam bem com a camada de transição termomecânica, respectivamente 271 ou 274, que deve ser aglomerada sobre a correspondente camada de cobre 25a e 25b por aquecimento local produzido por um laser ou por um feixe de elétrons, por exemplo.
[0071] Em uma próxima etapa 120 do método, é realizada uma etapa de fazer as camadas de transição termomecânica 271 a 276 sobre as camadas de cobre 25a e 25b.
[0072] Para a face inferior do módulo eletrônico de potência 20 feita a partir da face inferior 24b da placa isolante 24, os leitos de pó de materiais tendo CTEs na faixa 7 ppm/°C a 17 ppm/°C são depositados sobre a segunda camada de cobre 25b e eles são então curados sucessivamente por varredura com a fonte de potência em uma atmosfera inerte, por exemplo uma atmosfera de argônio, sobre toda a superfície de modo a obter uma superfície que é plana.
[0073] Mais precisamente, em uma primeira etapa 121 de formar camadas de transição termomecânica, uma primeira camada de transição termomecânica 274 da segunda superposição 27b é formada sobre a segunda camada de cobre 25b depositando um leito de pó de um material apresentando um CTE de 13 ppm/°C sobre toda a superfície da segunda camada de cobre 25b e então a primeira camada de transição termomecânica 274 da segunda superposição 27b é curada por varredura de toda a superfície da face inferior 24b da placa de cerâmica 24 em uma atmosfera inerte, por exemplo por meio de um laser.
[0074] Em uma segunda etapa 122 de formar camadas de transição termomecânica, uma segunda camada de transição termomecânica 275 da segunda superposição 27b é formada sobre a primeira camada de transição termomecânica 274 depositando um leito de pó de um material apresentando um CTE de 10 ppm/°C sobre toda a superfície da primeira camada de transição termomecânica 274 e então a segunda camada de transição termomecânica 275 da segunda superposição 27b é curada por varredura de toda a superfície da face inferior 24b da placa de cerâmica 24 em uma atmosfera inerte, por exemplo por meio de um laser.
[0075] Em uma terceira etapa 123 de formar camadas de transição termomecânica, uma terceira camada de transição termomecânica 276 da segunda superposição 27b é formada sobre a segunda camada de transição termomecânica 275 depositando um leito de pó de um material apresentando um CTE de 7 ppm/°C sobre toda a superfície da segunda camada de transição termomecânica 275 e então a terceira camada de transição termomecânica 276 da segunda superposição 27b é curada por varredura de toda a superfície da face inferior 24b da placa de cerâmica 24 em uma atmosfera inerte, por exemplo por meio de um laser.
[0076] Para a face superior do módulo eletrônico de potência 20 feita a partir da face superior 24a da placa isolante 24, as mesmas etapas são realizadas do que a face inferior, exceto que a varredura pela fonte de potência não cobre toda a superfície, dado que a primeira camada de cobre 25a não cobre toda a superfície, mas forma trilhas eletricamente condutoras sobre a face superior da placa isolante 24.
[0077] Mais precisamente, em uma quarta etapa 124 de formar camadas de transição termomecânica, uma primeira camada de transição termomecânica 271 da primeira superposição 27a é formada sobre a primeira camada de cobre 25a depositando um leito de pó de um material apresentando um CTE de 13 ppm/°C somente sobre as trilhas formadas pela primeira camada de cobre 25a e então a primeira camada de transição termomecânica 271 da primeira superposição 27a é curada por varredura das trilhas formadas deste modo em uma atmosfera inerte, por exemplo por meio de um laser.
[0078] Em uma quinta etapa 125 de formar camadas de transição termomecânica, uma segunda camada de transição termomecânica 272 da primeira superposição 27a é formada sobre a primeira camada de transição termomecânica 271 depositando um leito de pó de um material apresentando um CTE de 10 ppm/°C somente sobre as trilhas formadas pela primeira camada de transição termomecânica 271 e a primeira camada de cobre 25a e então a segunda camada de transição termomecânica 272 da primeira superposição 27a é curada por varredura das trilhas como formadas deste modo em uma atmosfera inerte, por exemplo por meio de um laser.
[0079] Em uma sexta etapa 126 de formar camadas de transição termomecânica, uma terceira camada de transição termomecânica 273 da primeira superposição 27a é formada sobre a segunda camada de transição termomecânica 272 depositando um leito de pó de um material apresentando um CTE de 7 ppm/°C somente sobre as trilhas formadas pela segunda camada de transição termomecânica 272, a primeira camada de transição termomecânica 271 e a primeira camada de cobre 25a e então a terceira camada de transição termomecânica 273 da primeira superposição 27a é curada por varredura das trilhas como formadas deste modo em uma atmosfera inerte, por exemplo por meio de um laser.
[0080] A última camada superior da primeira superposição 27a, ou seja, a terceira camada de transição termomecânica 273, preferivelmente apresenta um CTE que é tão próximo quanto possível do CTE dos componentes semicondutores 26 que são geralmente brasados sobre esta camada, ou seja um CTE de cerca de 3 ppm/°C a 4 ppm/°C.
[0081] Se esta última camada 273 é muito rugosa, uma etapa de polimento pode ser realizada a fim de obter a rugosidade necessária.
[0082] Em variantes, o método pode também incluir depositar sobre a, última camada superior 273 acabamentos do gênero convencionalmente usado em montagem eletrônica, dos seguintes tipos ENIG (“Electroless Nickel Immersion gold”), ENEPIG (“Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold”), EPIG (“Electroless Palladium and Immersion Gold plating”), ISIG (“Immersion Silver and Immersion Gold plating”), etc.,), a fim de evitar oxidação durante brasagem dos componentes de semicondutor de potência 26 e a fim de ter compatibilidade com as tecnologias e processos de ligação de componentes que são convencionalmente usados.
[0083] A fim de formar as camadas de transição termomecânica, é também possível considerar a aspersão de pó em vez de depositar leitos de pó.
[0084] Variação nos CTEs das camadas é assegurada por variação das concentrações dos pós ou das fibras de material de baixo CTE (W, Mo, Invar, Kovar, diamante, SiC, fibra de carbono, ...) em materiais de alto CTE (Cu).
[0085] Os materiais em pó usados para as camadas de transição termomecânica podem por exemplo ser selecionados a partir das seguintes listas: W50Cu50, W60Cu40, W70Cu30, W80Cu20, W90Cu10, Mo50Cu50, Mo60Cu40, Mo70Cu30, Mo80Cu20, Mo85Cu15.
[0086] A potência da fonte de calor deve ser suficiente para fundir pelo menos um dos materiais na mistura a fim de assegurar que as partículas são bem incorporadas em uma matriz metálica. Entre os materiais mencionados acima, cobre apresenta a temperatura de fusão a mais baixa e é, portanto, necessário prover potência por um tempo o que torna possível atingir a temperatura de fusão de Cu, que é 1085°C.
[0087] A espessura de cada camada de cobre ou de cada camada de transição termomecânica que é depositada se situa na faixa de 20 μm a 150 μm e o CTE se aproxima daquele da cerâmica afastando-se da interface com a placa isolante de cerâmica 24. Isto torna possível reduzir as tensões mecânicas a que a cerâmica da placa isolante 24 é submetida durante variações de temperatura e distribuir as tensões entre as várias camadas sem ter tensões excessivas entre duas camadas metálicas sucessivas, que poderiam levar a falha da montagem.
[0088] Enquanto se fabrica a face inferior, o método de fabricação compreende adicionalmente imprimir camadas contínuas até um radiador 23 ter sido fabricado com vários formatos complexos que são efetivos para resfriamento em ar, tais como por exemplo aletas, pinos, redes, etc., ou canais para resfriamento por meio de um líquido.
[0089] Mais precisamente, em uma etapa 130 do método um radiador 23 é formada a partir da terceira camada de transição termomecânica 276 da segunda superposição de modo que a superposição inclui o radiador 23, que pode coincidir com a terceiro etapa 123 de formar camadas de transição termomecânica em que a terceira camada de transição termomecânica 276 da segunda superposição 27b é formada;
[0090] O método para fabricar o módulo eletrônico de potência 20 assim torna possível reduzir a resistência térmica do módulo 20 eliminando o material de interface térmica e isto possibilita que um radiador 23 seja fabricado tendo formatos complexos que são muito difíceis de fazer usando técnicas convencionais.
[0091] Igualmente, para a face superior, a terceira camada de transição termomecânica 273 da primeira superposição 27a é depositada de modo a fazer as conexões 29 e a caixa 22 por impressão 3D em uma etapa 140 que pode coincidir com a sexta etapa 126 de formar camadas de transição termomecânica.
[0092] A fim de finalizar o módulo eletrônico de potência 20, em uma etapa 150, os componentes de semicondutor de potência 26 são então encaixados sobre a última camada 273 da primeira superposição 27a por qualquer uma das técnicas que são usadas convencionalmente, tais como brasagem, ligação por adesivo, ou sinterização, por exemplo e então eles são eletricamente conectados, por exemplo por cabeamento, por brasagem de armação de metal, ou por qualquer outra técnica de interconexão.
[0093] Finalmente, em uma etapa 160, o módulo eletrônico 20 é encapsulado, ou seja preenchido com um gel de silicone, epóxi, ou um líquido ou gás isolante se o fechamento é hermético e a caixa 22 é fechada por fabricação aditiva usando o mesmo material que o material usado para a terceira camada de transição termomecânica 273 da primeira superposição 27a. Em torno das conexões que saem 29 e a fim de estabelecer isolamento elétrico para a caixa entre as conexões e a caixa, é possível fazer uma junta isolante a partir de vidro ou de cerâmica.
[0094] A porção constituindo o fecho da caixa pode ser feita separadamente e ligada à caixa subsequentemente, por brasagem, sinterização, ou alguma outra técnica de montagem.

Claims (11)

1. Método para fabricar um módulo eletrônico de potência (20) por fabricação aditiva, o módulo eletrônico de potência (20) compreendendo um substrato (21) tendo uma placa eletricamente isolante (24) apresentando primeira face e segunda face opostas (24a, 24b), com uma primeira camada metálica (25a) arranjada diretamente sobre a primeira face (24a) daquela placa eletricamente isolante (24), e uma segunda camada metálica (25b) arranjada diretamente sobre a segunda face (24b) daquela placa eletricamente isolante (24); caracterizado pelo fato de pelo menos uma dentre as camadas metálicas (25a) ser feita por uma etapa (100) de depositar uma fina camada de cobre e uma etapa (110) de recozer a camada metálica (25a, 25b); e o método compreendendo adicionalmente uma etapa (120) de formar pelo menos uma camada de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276) sobre pelo menos uma dentre a primeira e a segunda camadas metálicas (25a, 25b), a pelo menos uma camada de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276) compreendendo um material apresentando um coeficiente de dilatação térmica que é inferior àquele do metal da camada metálica (25a, 25b).
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma camada de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276) é depositada por depósito de um leito de pó de material ou por aspersão de material de pó, o pó depositado sendo curado por varredura com uma fonte de potência calorífica em uma atmosfera inerte.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os coeficientes de dilatação térmica dos materiais usados para as camadas de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276) se situam na faixa de 3 ppm/°C a 17 ppm/°C.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o substrato (21) compreende, sobre pelo menos uma das primeira e segunda faces (24a, 24b) da placa eletricamente isolante (24), um empilhamento (28a, 28b) da camada metálica (25a, 25b) e uma pluralidade de camadas de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276), com o pelo menos um empilhamento (28a, 28b) apresentando um gradiente em seu coeficiente de dilatação térmica que diminui com aumento de distância de uma camada do empilhamento a partir do substrato.
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma etapa (130) de formar um radiador por fabricação aditiva a partir da última camada de transição termomecânica (276) da segunda face do substrato (21).
6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma etapa (140) de fabricar uma caixa (22) apropriada para proteger componentes eletrônicos (26) que devem ser montados sobre a primeira face do substrato (21) e de fabricar conexões (29) apropriadas para conectar eletricamente o módulo eletrônico de potência (20) a elementos elétricos externos, a caixa (22) e as conexões (29) sendo feitas por fabricação aditiva a partir da última camada de transição termomecânica (273) da primeira face do substrato (21).
7. Substrato (21) para um módulo eletrônico de potência (20) fabricado de acordo com o método como definido na reivindicação 1, o substrato (21) compreendendo uma placa eletricamente isolante (24) apresentando primeira e segunda faces opostas (24a, 24b), com uma primeira camada metálica (25a) arranjada diretamente sobre a primeira face (24a) daquela placa eletricamente isolante (24), e uma segunda camada metálica (25b) arranjada diretamente sobre a segunda face (24b) daquela placa eletricamente isolante (24); o substrato caracterizado pelo fato de que compreende, sobre pelo menos uma dentre a primeira e a segunda camadas metálicas (25a, 25b), pelo menos uma camada de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276) compreendendo um material apresentando um coeficiente de dilatação térmica inferior ao coeficiente de dilatação térmica do metal da camada metálica (25a, 25b), e pelo menos um empilhamento (28a, 28b) de uma camada metálica (25a, 25b) e uma pluralidade de camadas de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276), aquele pelo menos um empilhamento (28a, 28b) apresentando um gradiente em seu coeficiente de dilatação térmica que diminui com aumento de distância de uma camada do empilhamento a partir do substrato.
8. Substrato (21) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os coeficientes de dilatação térmica dos materiais usados para as camadas de transição termomecânica (271 a 273, 274 a 276) se situam na faixa de 3 ppm/°C a 17 ppm/°C.
9. Módulo eletrônico de potência (20) fabricado de acordo com o método como definido na reivindicação 1, o qual compreende um substrato apresentando uma primeira face e uma segunda face oposta àquela primeira face, e um radiador (23) montado sobre a segunda face do substrato, a primeira face do substrato sendo para receber componentes eletrônicos (26), o módulo eletrônico de potência (20) caracterizado pelo fato de que o substrato é um substrato (21) como definido na reivindicação 7 ou 8.
10. Módulo eletrônico de potência (20) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o radiador (23) compreende a última camada de transição termomecânica (276) da segunda face do substrato (21), o radiador (23) sendo formado a partir da última camada de transição termomecânica (276) da segunda face do substrato (21).
11. Módulo eletrônico de potência (20) de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma caixa (22) apropriada para proteger os componentes eletrônicos (26) montados sobre a primeira face do substrato (21), a caixa (22) sendo formada a partir da última camada de transição termomecânica (273) da primeira face do substrato (21).
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Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7175659B2 (ja) * 2018-07-25 2022-11-21 株式会社日立製作所 複合金属材料、その製造方法、および複合金属材料を用いた電子装置
FR3084522A1 (fr) * 2018-07-27 2020-01-31 Safran Procede de fabrication d'un module electronique de puissance
FR3095779B1 (fr) 2019-05-06 2021-04-16 Safran Procede de fabrication d’un module electronique de puissance
FR3095778B1 (fr) 2019-05-06 2022-06-03 Safran Procede de fabrication d’un module electronique de puissance
EP3852132A1 (en) 2020-01-20 2021-07-21 Infineon Technologies Austria AG Additive manufacturing of a frontside or backside interconnect of a semiconductor die
FR3108230A1 (fr) 2020-03-13 2021-09-17 Safran Dissipateur thermique pour composant electronique
US11564337B2 (en) 2020-03-17 2023-01-24 Qorvo Us, Inc. Thermal structures for heat transfer devices and spatial power-combining devices
US11387791B2 (en) 2020-03-17 2022-07-12 Qorvo Us, Inc. Spatial power-combining devices with reduced size
DE102020204989B3 (de) * 2020-04-21 2021-09-23 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Verfahren zur additiven Fertigung eines Schaltungsträgers und Schaltungsträger
US11264299B1 (en) * 2020-09-03 2022-03-01 Northrop Grumman Systems Corporation Direct write, high conductivity MMIC attach
CN112164675B (zh) * 2020-10-29 2023-06-16 湖南国芯半导体科技有限公司 一种功率模块的制造方法及功率模块
CN112548105B (zh) * 2020-11-20 2023-04-07 成都航空职业技术学院 一种薄壁不锈钢管激光沉积制造316薄片的方法
US11621469B2 (en) 2021-02-01 2023-04-04 Qorvo Us, Inc. Power-combining devices with increased output power
DE102021201263A1 (de) * 2021-02-10 2022-08-11 Zf Friedrichshafen Ag Leistungsmodul zum Betreiben eines Elektrofahrzeugantriebs mit einer Direktkühlung der Leistungshalbleiter
FR3119930B1 (fr) 2021-02-18 2023-02-24 Safran Electrical & Power Module électronique de puissance
CN113488393A (zh) * 2021-05-25 2021-10-08 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种实现硅基功能单元与安装基体可靠粘接的方法
US11955687B2 (en) 2022-01-10 2024-04-09 Qorvo Us, Inc. Structural arrangements for spatial power-combining devices

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0624880A (ja) * 1992-07-03 1994-02-01 Noritake Co Ltd 金属−セラミックス複合体及びその製造方法
US5561321A (en) * 1992-07-03 1996-10-01 Noritake Co., Ltd. Ceramic-metal composite structure and process of producing same
JPH1117081A (ja) * 1997-06-19 1999-01-22 Sansha Electric Mfg Co Ltd 電力用半導体モジュール
WO2003090277A1 (en) * 2002-04-19 2003-10-30 Mitsubishi Materials Corporation Circuit board, process for producing the same and power module
US6727587B2 (en) 2002-04-30 2004-04-27 Infineon Technologies Ag Connection device and method for producing the same
US20060040112A1 (en) * 2002-07-15 2006-02-23 Nancy Dean Thermal interconnect and interface systems, methods of production and uses thereof
JP2004083964A (ja) 2002-08-26 2004-03-18 Hitachi Ltd 銅系放熱板及びその製造方法
JP2004179507A (ja) 2002-11-28 2004-06-24 Seiko Epson Corp 半導体装置、チップサイズパッケージ、放熱フィンの製造方法およびチップサイズパッケージの製造方法
US7129422B2 (en) 2003-06-19 2006-10-31 Wavezero, Inc. EMI absorbing shielding for a printed circuit board
JP2007096032A (ja) * 2005-09-29 2007-04-12 Toyota Industries Corp 絶縁基板及び半導体装置並びに絶縁基板の製造方法
US7810552B2 (en) * 2006-12-20 2010-10-12 The Boeing Company Method of making a heat exchanger
JP5315635B2 (ja) * 2007-07-04 2013-10-16 トヨタ自動車株式会社 パワーモジュールの放熱板・セラミック層接合基板の製造方法
US7811862B2 (en) 2008-12-17 2010-10-12 Infineon Technologies Ag Thermally enhanced electronic package
KR101070098B1 (ko) * 2009-09-15 2011-10-04 삼성전기주식회사 인쇄회로기판 및 그의 제조 방법
FR2951047B1 (fr) * 2009-10-07 2011-12-09 Valeo Etudes Electroniques Module d'electronique de puissance et de procede de fabrication de ce module
DE102011079471B4 (de) 2011-07-20 2024-05-29 Trumpf Laser Gmbh Verfahren zur Bildung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs
FR2984074B1 (fr) * 2011-12-13 2014-11-28 Hispano Suiza Sa Dispositif electronique avec refroidissement par spreader a metal liquide
US9313897B2 (en) 2012-09-14 2016-04-12 Infineon Technologies Ag Method for electrophoretically depositing a film on an electronic assembly
JP6085968B2 (ja) * 2012-12-27 2017-03-01 三菱マテリアル株式会社 金属部材付パワーモジュール用基板、金属部材付パワーモジュール、及び金属部材付パワーモジュール用基板の製造方法
US9384773B2 (en) * 2013-03-15 2016-07-05 HGST Netherlands, B.V. Annealing treatment for ion-implanted patterned media
US20160152004A1 (en) * 2013-04-26 2016-06-02 Kyocera Corporation Composite laminate and electronic device
US10242969B2 (en) * 2013-11-12 2019-03-26 Infineon Technologies Ag Semiconductor package comprising a transistor chip module and a driver chip module and a method for fabricating the same
US10192849B2 (en) 2014-02-10 2019-01-29 Infineon Technologies Ag Semiconductor modules with semiconductor dies bonded to a metal foil
DE102014203309A1 (de) * 2014-02-25 2015-08-27 Siemens Aktiengesellschaft Elektronikmodul mit zwei elektrisch leitfähigen Strukturierungen
CN103966538A (zh) * 2014-05-04 2014-08-06 丹阳聚辰光电科技有限公司 用于电子封装和热沉材料的钨铜复合材料及其制备方法
JP6338937B2 (ja) 2014-06-13 2018-06-06 ローム株式会社 パワーモジュールおよびその製造方法
US10029422B2 (en) * 2014-10-07 2018-07-24 Voxel Llc Three-dimensional modelling and/or manufacturing apparatus, and related processes
CN107530836B (zh) 2015-04-28 2021-02-26 奥梅特电路股份有限公司 用于半导体管芯附接应用的具有高金属加载量的烧结膏剂
KR20220135252A (ko) * 2015-05-05 2022-10-06 인듐 코포레이션 전자장치 적용을 위한 무연 땜납 합금
FR3038534A1 (fr) 2015-07-10 2017-01-13 Commissariat Energie Atomique Assemblage d'un element avec un substrat isole electriquement et a faible resistance thermique notamment pour des applications haute temperature, ensemble comprenant ledit assemblage et un drain thermique et procede de fabrication
CN106920781A (zh) 2015-12-28 2017-07-04 意法半导体有限公司 半导体封装体和用于形成半导体封装体的方法
JP6734062B2 (ja) * 2016-01-29 2020-08-05 日本碍子株式会社 セラミックスヒータ，センサ素子及びガスセンサ

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