CN103842121B - 由电子衬底和包括反应焊料的层布置组成的叠层复合结构 - Google Patents
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Abstract
一种叠层复合结构(10)，包括至少一个电子衬底(11)和一个层组合(20、30)，后者由至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层(20)和由一个与该第一层(20)邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层(30)组成，其中第一和第二层的熔点温度不同，并且其中在对层组合(20、30)进行热处理后在第一层和第二层之间构成一个具有至少一种金属间相的区域(40)，其中第一层(20)或者第二层(30)由一种反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX‑、CuX‑或者NiX‑合金的混合物组成，其中AgX、CuX或者NiX‑合金的组分X从由下述元素组成的组中选择：B、Mg、A1、Si、Ca、Se、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Au、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Dy、Sm、Er、Tb、Eu、Ho、Tm、Yb和Lu，并且其中AgX‑、CuX‑或者NiX‑合金的熔点温度高于基焊料的熔点温度。本发明还涉及一种用于构成叠层复合结构(10)的方法以及一种包含本发明的叠层复合结构(10)的电路布置。
Description
技术领域
本发明涉及包括一个层组合和一个电子衬底的叠层复合结构，以及涉及包括一个叠层复合结构的电路布置。此外本发明涉及用于构造叠层复合结构的方法。
背景技术
功率电子器件在许多技术领域中使用。正是在其中流过大电流的电气或者电子设备中功率电子器件的使用是不可避免的。功率电子器件中需要的电流强度导致包含的电气或者电子部件的热负荷。其它热负荷由于在具有相对于室温显著升高的和必要时甚至总是变化的温度的运行地点使用这种电气的或者电子的设备而产生。汽车领域中的控制设备为此可以作为例子，它们直接设置在发动机舱内。
在功率半导体或者集成电路(IC，英语：integrated circuit)相互之间以及在载体衬底上的许多连接当今已经特别地遭受持续的直到175摄氏度的温度负荷。
例如在载体衬底上的电气或者电子部件的连接通常通过一个连接层实现。作为一种这样的连接层公知的是钎焊连接。
多数使用基于锡-银合金或者锡-银-铜合金的软焊料。然而，特别在使用温度接近熔点温度的情况下这种连接层显现出波动的电气的或者机械的特性，这可能导致组件故障。
含铅的焊料连接可以在比软焊料连接更高的使用温度条件下使用。然而含铅的焊料连接出于环保的理由由于法律规定在其许可的技术使用方面强烈受限。
另外可选的方案是为在升高的温度或者高温、特别是超过200摄氏度时的使用提供无铅的硬焊料。无铅的硬焊料一般具有大于200℃的熔点。然而在为构造连接层使用硬焊料的情况下，仅很少电气或者电子部件能够作为可承受熔化硬焊料时的高温的结合对象。
低温连接技术(NTV)指出一种办法，其中可以在已经比熔点低很多的温度下形成含银的烧结化合物。代替焊料在这里使用膏剂，它包含化学上稳定的银粒子和/或银化合物。在烧结条件下、特别在施加温度和压力的情况下，稳定的成分在此被烧尽和/或银化合物被分裂，使得银粒子或者被释放的银原子互相接触以及与结合对象的材料直接接触。通过互扩散和/或扩散能够由此在已经比熔点温度低很多的温度条件下构成一种高温稳定的化合物。然而在要求温度变化时在这种化合物的情况下可能在半导体结构组件或者甚至在载体衬底内出现热机械的张力甚至形成裂缝。
在DE 10 2009 002 065A1中描述了一种焊料，它包括一种具有低于450℃的熔点的软焊料，其内嵌入一定数目的粒子，这些粒子由金属间相构成，或者用金属间相涂敷。该焊料能够平整地将功率半导体模块的金属化的陶瓷衬底与基板连接。为建立基板和陶瓷衬底之间的焊料连接该焊料被加热到至少330℃的温度。
发明内容
本发明的主题是一种叠层复合结构，其包括至少一个电子衬底和一个层组合，该层组合由至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层和由一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层组成，其中第一层和第二层的熔点温度不同，并且其中在对层组合进行热处理后在第一层和第二层之间构成一个具有至少一种金属间相的区域。
根据本发明第一层或者第二层由反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物组成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的组分X从由下述元素组成的组中选择：B、Mg、Al、Si、Ca、Se、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Au、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Dy、Sm、Er、Tb、Eu、Ho、Tm、Yb和Lu，并且其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的熔点温度高于基焊料的熔点温度。
这里合金AgX、CuX、或者NiX的组分特别地应该与相应的基焊料不相同。这意味着例如在SnCu基焊料中不能混入CuSn粒子。
由此能够以有利的方式提供从电子结构部件向其它结构部件或者衬底的导电和/或导热的连接，其同时在长的运行时间区间内也能够保证结合对象的不同的热膨胀系数的非常好的平衡。这尤其能够如下实现：反应焊料在热处理期间特别地促进构成一种大的金属间相的区域，直到由构成的金属间相的区域完全替换至少焊料层。
在一种实施方式的范围内，基焊料从SnCu、SnAg、SnAu、SnBi、SnNi、SnZn、SnIn、SnIn、CuNi、CuAg、AgBi、ZnAl、BiIn、InAg、InGa、或者由它们的混合物构成的三组分的、四组分的或者更多组分的合金的组中选择。
在另一种实施方式的范围内，AgX-、CuX-或者NiX-合金以在1nm和50μm之间的平均的颗粒大小在与基焊料的混合物中存在。
平均的颗粒大小特别地可以理解为这样的大小，其中试样的50体积％具有较小的颗粒直径而试样的50体积％具有较大的颗粒直径(所谓的d50值)。颗粒大小的确定例如可以通过激光散射和散射图谱的分析，例如根据Mie理论、通过例如显微镜的其它光学分析方法或者通过筛析法确定。
在另一种实施方式的范围内，第一层和/或第二层不包含铅。
表述“无铅”特别地可以理解为，在有关的层中包含小于0.05重量％的铅，特别是小于0.01重量％，例如小于0.005重量％。
本发明因此总体适宜作为对于含铅的热和电的连接的一种替代方案，例如在微电子技术或者光伏技术中，含铅的热和电的连接迄今仍然用于特殊的使用领域，例如在高温和/或大电流密度的情况下。
在另一种实施方式的范围内，由反应焊料构成的层的Ag、Cu或者Ni的份额在20重量％和80重量％之间。
在另一种实施方式的范围内，反应焊料的处理温度低于500℃。
本发明的主题并非由上述实施方式限定为必然仅使用软焊料，而也可以包括这样的反应焊料，其根据专业人员常用的分类属于硬焊料。
根据另一种实施方式，并非由反应焊料构成的第一层或第二层与反应焊料一起至少部分地、优选全部地构成金属间相。正是在第一层和第二层的边界区域内、在热处理期间发生原子的扩散过程，该扩散过程从该边界区域出发在第一和/或第二相的方向上构成金属间相。
在另一种实施方式的范围内，并非由反应焊料构成的第一层或第二层是Ag-烧结层。
Ag-烧结层作为连接层有利地在微电子器件中把非常好的导热性和在平衡要连接的电子结构部件和衬底的不同的热膨胀系数方面的杰出的特性与良好的加工性集于一体。
在另一种实施方式的范围内，金属间相的区域包括第一层或者第二层。
以这种方式能够提供电子衬底的热和电的连接的进一步改善的特性曲线。金属间相大多数情况下由于其很高的序列性(Ordnungsgrad)表示出高的热和电的传导性。由此能够有利地在具有高的温度负荷的设备中使用。同样可以在相对于连接层具有大电流密度的设备中使用。另外，根据本发明金属间相大多数情况下具有小的热膨胀系数，这在连接层组合中可以非常有利地用于能够持续可靠地建立例如功率结构部件的半导体和散热器的材料的强烈不同的热膨胀系数的匹配，而不导致产生破裂或者其它的损坏位置，这可能引起整个电子结构部件的故障。
在另一种实施方式的范围内，金属间相具有比第一层或者第二层高的熔点。
由此有利地在下面那样的设备中也能够使用电子的结构部件：它们具有高温度负荷的使用场地，例如用于发动机或者传动装置的控制设备，或者用于发电机的传感器或者二极管。在此处，通常的运行温度可能是在175℃的范围内，在这种运行温度下可以有利地使用具有根据本实施方式的叠层复合结构的电子结构部件。然而同时，所选的处理温度不必太高，使得在制造电子的叠层复合结构时能够调整在较低的温度，这样节能、资源优化且成本低。
在另一种实施方式的范围内，在热处理期间构成的金属间相的区域部分地或者完全地替换第一层和/或第二层。
以这种方式能够提供电子衬底的热和电的连接的进一步改善的特性曲线。由于很高的序列性，金属间相大多数情况下表示出高的热和电的传导性。由此能够有利地在具有持续高的温度负荷的设备中、在150℃或者更高的范围内使用。同时也可以在这样的设备中使用：它们相对于连接层具有大的电流密度并且由此提供连接层的相应的高电流承载性。另外，根据本发明的金属间相具有极小的热膨胀系数，这在连接层组合中可以非常有利地用于能够持续可靠地建立要连接的电气和电子的部件、例如功率结构部件的半导体和散热器的材料的强烈不同的热膨胀系数的匹配，而不导致产生破裂或者其它的损坏位置，这可能引起整个电子结构部件的故障。
在另一种实施方式的范围内，第一层和/或第二层接触至少一个电子衬底。
以这种方式根据本发明也能够在微电子工业中提供半成品，其中电子衬底与第一层、例如与银烧结层接触，或者与第二层、例如与由反应焊料构成的层接触，其也可完全地通过金属间相替换。由此既能够提高制造中的自动化程度，也能够改善对于事先确定的质量标准和容差的遵守。
在另一种实施方式的范围内，由反应焊料构成的层在连接到至少一个衬底上之前就已经渗入优选由Ag-烧结层构成的另一层内。
术语“渗入”特别地可以理解为，反应焊料至少部分地布置在设置在Ag-烧结层内的孔或者在其它层内的类似的空隙内。通过热处理可以在层之间至少部分地构成金属间相。特别是通过两个层的金属或者合金的互扩散构成金属间相的该过程，可以通过其它层中反应焊料的事先的渗入被简化和补足，使得与仅纯粹相邻地设置的层相比能够实现更短的热处理或者构成金属间相的更大的区域。
为优化渗入，特别使反应焊料的AgX-、CuX-或者NiX-合金的平均的颗粒大小有利地与在另一个要渗入的层内的孔大小或者存在的空隙的大小匹配。
换句话说，本发明的层组合也可以以这样的方式构造，即包围反应焊料的层以至少部分地，优选全部地，渗入一个具有孔或者其它的空隙或者空穴的其它层内的方式存在。
在另一种实施方式的范围内，至少一个电子衬底是电路载体，特别是DBC衬底、LTCC衬底、引线框、印刷电路板、或者有源的结构元件，特别是功率半导体或者IC、或者载体衬底或者散热器。
关于另外的优点和特征，对此可明确地参照与本发明的叠层复合结构、本发明的方法的产品、本发明的电路布置以及附图相关的说明。
本发明的另外的主题是用于构造一种叠层复合结构、特别是本发明的叠层复合结构的方法，包括下面的步骤：
-构造一个叠层复合结构毛坯，其包括一个层组合和至少一个电子衬底，其中该层组合包括至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层和一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层，其中第一层和第二层的熔点温度不同，并且其中该第一层或者第二层由反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物组成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的熔点温度高于基焊料的熔点温度，
-对层组合或者叠层复合结构毛坯进行热处理，由此实现在第一层和/或第二层中的金属和/或金属合金的互扩散，
-构成在第一层和第二层之间包括至少一种金属间相区域的叠层复合结构。
在本发明的方法的一种实施方式的范围内，在超过反应焊料中的基焊料的熔点温度的温度条件下进行热处理。
由此优选地保证了，由反应焊料和其它层构成一个尽可能大的金属间相的区域，使得能够优化地实现上面已经说明的在电子衬底的电和热的连接的特性曲线中的优点。
本发明的另一个主题是电路布置，特别是用于汽车系列产品和光伏工业中的电子的电路布置，其包含根据上述发明的叠层复合结构。
附图说明
通过附图图解并且在下面的说明中解释本发明的主题的另外的优点和有利的结构。这里应该注意，附图仅具有说明的特性，不应该认为以任何方式限制本发明。附图中：
图1示出了本发明的叠层复合结构的示意的横截面，
图2示出了叠层复合结构毛坯的示意的横截面。
具体实施方式
图1示出了一个叠层复合结构10，其包括至少一个电子衬底11和一个层组合20、30，该层组合20、30由至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层20和一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层30组成。第一层20和第二层30的熔点温度不同。通过热处理在第一层和第二层之间构成一个具有至少一种金属间相的区域40。第一层或者第二层可以由一种反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物组成。所选的AgX-、CuX-或者NiX-合金在这里使得它们的熔点温度高于基焊料的熔点温度。AgX-、CuX-或者NiX-合金的平均的颗粒大小可以位于1nm到50μm之间。在区域40中构成的金属间相可以具有比第一层20或者第二层30高的熔点。由此能够以有利的方式在具有高温度负荷的使用场所的设备中也使用电子结构部件。在所示实施方式中在热处理期间构成的金属间相的区域40分别部分地替换第一层20和/或第二层30。也可以由金属间相的区域40完全替换层20和30。可以以有利的方式用叠层复合结构20、30提供从电子结构部件到其它结构部件或者衬底的传导电和/或热的连接，其同时也能够在长的运行时间区间内保证结合对象的不同的热膨胀系数的非常好的平衡。
图2示出了一个叠层复合结构毛坯10a，包括至少一个电子衬底11和一个层组合20、30，该层组合由至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层20和一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层30组成。通过对叠层复合结构毛坯10a的热处理，能够实现在第一层和/或第二层内的金属和/或金属合金的互扩散并且由此在第一层和第二层之间构成一个具有至少一种金属间相的区域40并且形成在图1中示出的叠层复合结构10。叠层复合结构毛坯10a的热处理例如可以在超过反应焊料中的基焊料的熔点温度的温度条件下进行。
Claims (17)
1.叠层复合结构(10)，包括至少一个电子衬底(11)和一个层组合(20、30)，所述层组合由至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层(20)和由一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层组成，其中第一层和第二层的熔点温度不同，并且其中在对层组合(20、30)进行热处理后在第一层和第二层之间构成一个具有至少一种金属间相(40)的区域，
其中，第一层或者第二层由反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物组成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的组分X从由下述元素组成的组中选择：B、Mg、Al、Si、Ca、Se、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Au、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Dy、Sm、Er、Tb、Eu、Ho、Tm、Yb和Lu，并且其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的熔点温度高于基焊料的熔点温度，
其特征在于，并非由反应焊料构成的第一层(20)或者第二层(30)是Ag-烧结层。
2.根据权利要求1所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，基焊料从SnCu、SnAg、SnAu、SnBi、SnNi、SnZn、SnIn、CuNi、CuAg、AgBi、ZnAl、BiIn、InAg、InGa、或者由它们的混合物构成的三组分的、四组分的或者更多组分的合金的组中选择。
3.根据权利要求1或2之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，AgX-、CuX-或者NiX-合金以在1nm和50μm之间的平均的颗粒大小在与基焊料的混合物中存在。
4.根据权利要求1或2所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，第一层(20)和/或第二层(30)不包含铅。
5.根据权利要求1或2所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，由反应焊料构成的层的Ag、Cu或者Ni的份额在20重量％和80重量％之间。
6.根据权利要求1或2所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，反应焊料的处理温度低于500℃。
7.根据权利要求1或2所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，金属间相(40)的区域包括第一层(20)或者第二层(30)。
8.根据权利要求1或2所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，金属间相(40)具有比第一层或者第二层高的熔点。
9.根据权利要求1或2所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，在热处理期间构成的金属间相(40)的区域部分地或者完全地替换第一层(20)和/或第二层(30)。
10.根据权利要求1或2所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，第一层(20)和/或第二层(30)接触至少一个电子衬底(11)。
11.根据权利要求1或2所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，至少一个电子衬底(11)是电路载体，或者有源的结构元件，或者载体衬底或者散热器。
12.根据权利要求11所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，所述电路载体是DBC衬底、LTCC衬底、引线框、印刷电路板。
13.根据权利要求11所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，所述有源的结构元件是功率半导体或者IC。
14.用于构造根据上述权利要求1到13之一所述的叠层复合结构(10)的方法，包括下面的步骤：
-构造一个叠层复合结构毛坯(10a)，该叠层复合结构毛坯包括一个层组合(20、30)和至少一个电子衬底(11)，其中该层组合(20、30)包括至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层(20)和一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层(30)，其中第一层(20)和第二层(30)的熔点温度不同，并且其中该第一层(20)或者第二层(30)由反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物组成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的熔点温度高于基焊料的熔点温度，
-对层组合(20、30)或者叠层复合结构毛坯(10a)进行热处理，由此实现在第一层(20)和/或第二层(30)中的金属和/或金属合金的互扩散，
-构成在第一层和第二层之间包括至少一种金属间相(40)的区域的叠层复合结构(10)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在超过反应焊料中的基焊料的熔点温度的温度条件下进行热处理。
16.电路布置，包括根据权利要求1到13之一所述的叠层复合结构(10)。
17.根据权利要求16所述的电路布置，其特征在于，所述电路布置是用于汽车批量生产和光伏工业中的电子电路布置的电路布置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102011083931.3 | 2011-09-30 | ||
| DE102011083931A DE102011083931A1 (de) | 2011-09-30 | 2011-09-30 | Schichtverbund aus einem elektronischen Substrat und einer Schichtanordnung umfassend ein Reaktionslot |
| PCT/EP2012/068678 WO2013045370A1 (de) | 2011-09-30 | 2012-09-21 | Schichtverbund aus einem elektronischen substrat und einer schichtanordnung umfassend ein reaktionslot |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103842121A CN103842121A (zh) | 2014-06-04 |
| CN103842121B true CN103842121B (zh) | 2016-11-30 |
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1211483A (zh) * | 1997-09-16 | 1999-03-24 | 玛志达株式会社 | 接合金属部件及该部件的接合方法 |
| DE102009034483A1 (de) * | 2009-07-22 | 2011-01-27 | W.C. Heraeus Gmbh | Bleifreie Hochtemperaturverbindung für die AVT in der Elektronik |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1211483A (zh) * | 1997-09-16 | 1999-03-24 | 玛志达株式会社 | 接合金属部件及该部件的接合方法 |
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