CN101807556A - 用于接纳至少一个元件的衬底以及制造衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于接纳至少一个元件的衬底以及制造衬底的方法，所述元件(3)特别是指功率半导体，在所述衬底中，由电绝缘材料制成的衬底主体(1)在至少一个前侧和/或在相对置的背侧上设有导电层(2)。为了对具有高热导率λ的衬底的制造进行简化而根据本发明提出：所述衬底主体(1)具有由陶瓷前驱体聚合物形成的热固性基质。在制造衬底的方法中，将在应用陶瓷前驱体聚合物的情况下制成的衬底主体(1)与由导电材料形成的层(2)相结合。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的衬底。本发明还涉及一种制造衬底的方法。
背景技术
根据现有技术，用于接纳电元件或电子元件的衬底是普遍公知的。这样的衬底一般由电绝缘材料制成的板组成，该板至少在前侧和/或相对置的背侧上设有导电层。所述板例如可以由电绝缘的合成材料或陶瓷制成。特别是为了制造配有功率半导体的模块，根据现有技术例如使用直接敷铜(DCB)衬底。在此，使用由氧化铝或氮化铝制成的板作为电绝缘体。由此，导体电路在高温熔融和扩散工艺中由纯铜来安设。这样的DCB衬底以很高的热导率和温度耐受能力而见长。
然而，DCB衬底的制造是复杂且昂贵的。由于制造时很高的温度，不是总能避免这种衬底发生弯曲。这种弯曲可能以在其它加工链中导致DCB衬底的断裂。除此之外，常规的DCB衬底尤其是仅能以板状的构造方案制成，但是却不能以任意的三维形状制成。
发明内容
本发明的任务在于，消除现有技术的缺点。特别是应当提供一种能简单且成本低地制造的、具有高热导率λ的衬底。根据本发明的另一目标，应当能够以大量三维形状制造衬底。本发明还应当提供用于制造这种衬底的方法。
本发明的任务通过权利要求1和9的特征来解决。本发明适当的构造方案通过权利要求2至8和权利要求10至21的特征而获得。
根据本发明的措施设置为，衬底主体具有由陶瓷前驱体聚合物构成的热固性基质。所提出的述衬底主体是电绝缘的。该衬底具有出色的热导率λ。所提出的衬底主体的另一个优点是其很高的温度耐受能力。该衬底主体承受得住高达300℃的运行温度。此外，所提出的衬底主体能被简单且成本低地制造。可行的是，以大量三维形状来制造衬底主体。
“陶瓷前驱体聚合物”这一概念被理解为如下聚合物，所述聚合物例如随着温度升高，首先过渡为凝胶态，并随后过渡为热固性状态。在热固性状态下，陶瓷前驱体聚合物一般具有高达300℃的温度耐受能力。在温度继续升高的情况下，可以由陶瓷前驱体聚合物生成陶瓷材料。属于陶瓷前驱体聚合物的例如有：聚硅烷、聚碳硅烷以及聚有机硅氧烷。
根据本发明提供的一个有利方案，利用填料以高达95体积％的填充度对陶瓷前驱体聚合物进行填充。由此，尤其可以提高在应用陶瓷前驱体聚合物的情况下制造的衬底主体的热导率λ。
所述填料适当地可以是由陶瓷材料形成的、具有处于0.5至200μm范围内的平均颗粒尺寸的粉末。所提出陶瓷材料是电绝缘的并且很大程度上是惰性的。所述陶瓷材料的添加尤其是不与陶瓷前驱体材料发生不希望的化学反应。所提出的平均颗粒尺寸能够使得利用常规装置对已填充的陶瓷前驱体聚合物进行铸型或注塑。
在室温下，陶瓷材料的热导率λ适当地大于10W/mK，优选大于20W/mK。由此，根据填充度实现的是，将以陶瓷材料填充的陶瓷前驱体聚合物的热导率提高到2W/mK的数值之上。因此，所提出的衬底主体特别适用于制造在运行中散发相对大的热量的功率半导体。
陶瓷材料适当地选自如下的组：BN、SiC、Si3N4、AlN、滑石、堇青石。所提出的陶瓷材料以高热导率λ见长。此外，所述陶瓷材料是电绝缘的。
此外，已证实适当的是，所述陶瓷前驱体聚合物选自如下的组：聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚碳硅烷。
导电层适当地由金属或半导体制成，所述金属优选为铝或铜。在此，导电层可以首先基本上整面地覆盖衬底主体的前侧和/或背侧。然后接下来，可以利用常规技术，例如掩蔽和随后的蚀刻来制造期望的导体线路结构。而同样可以是：导电层以预定的导体线路结构存在，并随后层压到衬底主体上。
所提出的衬底当然也可以设有镀通孔。这种镀通孔能以简单且成本低的方式铸型到衬底主体中。但同样也可以事后将所述镀通孔加工到热固性衬底主体中。
根据本发明的另一措施，设置有一种方法，用于制造用来接纳至少一个元件的衬底，所述元件特别是指半导体衬底，其中，将在应用陶瓷前驱体聚合物的情况下制成的衬底主体与由导电材料构成的层相结合。所述方法能够相对简单而成本低地实施。该方法尤其不需要实施复杂的烧结工艺并且接着利用高温熔融和扩散工艺将导体电路安设到以上述方式制造的衬底上。而根据本发明的方法制造的衬底以出色的热导率λ见长。此外，能够以高成型保真度(Formtreue)和很大的成型多样性来制造所述衬底。
“层”这一概念既被理解为是衬底主体的前侧和/或背侧的整面的涂层，又被理解为仅是区段式的涂层。在涂层为区段式的情况下，所述层能够以预定的导体线路结构的形式构成。
根据该方法的第一变动方案，为了制造衬底主体，将陶瓷前驱体聚合物涂覆到所述层的至少一侧上，并且然后陶瓷前驱体聚合物过渡为热固性的形式，从而构造了与所述层牢固结合的衬底。在此，所述层适当地整面地在衬底主体的前侧和/或背侧之上延伸。
根据该方法第二变动方案，呈热固性形式存在的所述衬底主体，在应用另外的陶瓷前驱体聚合物的情况下，与由导电材料构成的层相结合。接着，所述另外的陶瓷前驱体聚合物转变为热固性形式，从而构成了与所述层牢固结合的衬底。在该方法的所述第二变动方案中，所述层在应用陶瓷前驱体聚合物的情况下，与呈热固性形式存在的衬底主体相粘合。在此，根据另一有利的构造方案，导电层可以在与衬底相结合之前以预定的导体线路结构的形式存在。例如可以利用冲压(Stanzen)来制造这种导体线路结构。但导体线路结构的成型也可以利用例如激光射线切割等其它方式来产生。如果首先安设基本上整面地覆盖衬底主体的前侧和/或背侧的层，由此可以借助对所述层的掩蔽及随后的蚀刻来制造导体线路结构。
根据本发明的有利的构造方案，所述陶瓷前驱体聚合物和所述另外的陶瓷前驱体聚合物为了转变为热固性的形式而加热到处于100至300℃范围内的温度，优选为150-250℃，保温时间为15至300分钟，优选为30至60分钟。当然同样可行的是，将所述陶瓷前驱体聚合物和/或所述另外的陶瓷前驱体聚合物以其它方式交联，并转变为热固性状态。例如，可以通过紫外线(UV)辐射、化学添加剂等方式来进行交联。
由于是所述方法的另外的有利的构造方案，则对针对衬底所介绍的特征进行参引，所述特征同样可以形成所述方法的构造方案。
附图说明
图1示出根据本发明的衬底的示意截面图。
具体实施方式
下面，结合在唯一附图中示出的实施例对本发明进行详细说明。该唯一附图示出衬底的示意截面图。在衬底主体1的前侧上安设有以标号2标示的导体电路。用标号3示意地表示元件，例如功率半导体，诸如功率二极管、功率晶体管等，所述元件3例如利用钎焊连接与衬底相结合。衬底主体1的背侧可以与优选由金属制造的冷却体4相结合。为此，可以将衬底主体1例如借助陶瓷前驱体聚合物与冷却体4相粘合。
衬底主体1由陶瓷前驱体聚合物形成，例如由聚硅氧烷形成，该陶瓷前驱体聚合物被以填料填充至60至80体积％。填料可以是具有例如处于3至10μm范围内的平均颗粒尺寸的SiC粉末。衬底主体1具有大于10W/mK的出色的热导率λ。
衬底主体1可以利用常规的铸型技术或注塑技术来制造。在此，陶瓷前驱体聚合物首先以液态形式存在。然后，在成型之后，将陶瓷前驱体聚合物通过例如热处理、UV辐射等转变为热固性状态。例如可行的是，借助注塑技术将陶瓷前驱体聚合物注入已预热的型模中。在陶瓷前驱体聚合物过渡为热固性状态之后，进行脱模。
可以将导体电路2层压在事先制成的衬底主体1上。在此，陶瓷前驱体聚合物适当地用作粘合剂，而在这种情况下，优选不添加填料的陶瓷前驱体聚合物。而为了将导体电路2与衬底主体1相结合，还可以首先将导体电路2置入型模中，并且随后将形成衬底主体1的陶瓷前驱体聚合物浇铸到型模中或注塑到型模中。
参考标号列表：
1衬底主体
2导体电路
3功率半导体
4冷却体。
Claims (21)
1.用于接纳至少一个元件(3)的衬底，所述元件特别是指功率半导体，在所述衬底中，由电绝缘材料制成的衬底主体(1)在至少一个前侧和/或在相对置的背侧上设有导电层(2)，
其特征在于，
所述衬底主体(1)具有由陶瓷前驱体聚合物形成的热固性基质。
2.根据权利要求1所述的衬底，其中，利用填料以高达95体积％的填充度对所述陶瓷前驱体聚合物进行填充。
3.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述填料是由陶瓷材料形成的、具有处于0.5μm至500μm范围内的平均颗粒尺寸的粉末。
4.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，在室温下，所述陶瓷材料的热导率λ大于10W/mK，优选大于20W/mK。
5.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述陶瓷材料选自如下的组：BN、SiC、Si3N4、AlN、滑石、堇青石。
6.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述陶瓷前驱体聚合物选自如下的组：聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚碳硅烷。
7.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述导电层(2)由金属或半导体制成，所述金属优选是铝或铜。
8.根据前述权利要求之一所述的衬底，其中，所述导电层(2)以预定导体线路结构的形式存在。
9.用于制造衬底的方法，所述衬底用于接纳至少一个元件(3)，所述至少一个元件(3)特别是指功率半导体，在所述方法中，将在应用陶瓷前驱体聚合物的情况下制成的衬底主体(1)与由导电材料形成的层(2)相结合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，为了制造所述衬底主体(1)，在所述层(2)的至少一侧上涂覆有所述陶瓷前驱体聚合物并且然后所述陶瓷前驱体聚合物转变为热固性形式，从而构成了与所述层(2)牢固地结合的衬底。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，呈热固性形式存在的衬底主体(1)在应用另外的陶瓷前驱体聚合物的情况下，与由所述导电材料形成的所述层(2)相结合，并且其中，所述另外的陶瓷前驱体聚合物转变为热固性形式，从而构成了与所述层(2)牢固地结合的衬底。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述导电层(2)在与所述衬底主体(1)相结合之前以预定导体线路结构的形式存在。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述导体线路结构借助冲压来制造。
14.根据权利要求9至12之一所述的方法，其中，借助对所述层(2)进行掩蔽及随后的蚀刻来制造预定导体线路结构。
15.根据权利要求9至14之一所述的方法，其中，将所述陶瓷前驱体聚合物或所述另外的陶瓷前驱体聚合物为了转变为热固性形式而加热到处于100℃至300℃范围内的温度，优选为150℃至250℃，保温时间为15分钟至300分钟，优选为30分钟至60分钟。
16.根据权利要求10至15之一所述的方法，其中，利用填料以高达95体积％的填充度对所述陶瓷前驱体聚合物进行填充。
17.根据权利要求10至16之一所述的方法，其中，所述填料是由陶瓷材料形成的、具有处于0.5μm至-500μm范围内的平均颗粒尺寸的粉末。
18.根据权利要求9至17之一所述的方法，其中，在室温下，所述陶瓷材料的热导率λ大于10W/mK，优选大于20W/mK。
19.根据权利要求9至18之一所述的方法，其中，所述陶瓷材料选自如下的组：BN、SiC、Si3N4、AlN、滑石、堇青石。
20.根据权利要求9至19之一所述的方法，其中，所述陶瓷前驱体聚合物和/或所述另外的陶瓷前驱体聚合物选自如下的组：聚硅氧烷、聚硅氮烷、聚碳硅烷。
21.根据权利要求9至20之一所述的方法，其中，所述导电层(2)由金属制成或由半导体制成，所述金属优选为铝或铜。
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