CN104471659B - 包括具有塑料体的连接部件的电子器件 - Google Patents
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Abstract
一种器件包括器件体（1）和至少一连接部件（2），所述连接部件具有塑料体（23），它通过金属层（3）与器件体（1）连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种器件，尤其一电容器件，具有基本陶瓷的器件体。
背景技术
可以在许多场合使用电容器件，例如在功率半导体、半导体开关、例如IGBT(具有绝缘的栅极-电极的双极型晶体管，英文“insulated-gate bipolar transistor”)或者MOSFET(金属氧化半导体场效应晶体管，英文“metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor”)中，需要具有外部电容器件的布线，用于满足大的电流和电压需求。为了保持这个开关的高效，需要以尽可能低的电感的外部电容器件连接在半导体开关上；即，它们具有小的固有电感并且可以接近地连接在半导体上。此外产生高温，它们一方面是期望的，因为高温在器件的有源半导体区提高效率，但是另一方面使连接技术困难。因此对于器件的基本要求是在高温时的高电容密度和良好的绝缘性。薄膜电容和铝电解电容在这些条件下由于其工艺引起的温度限制被排除。但是已知的钛酸钡基电容目前不能满足这些要求。原因一方面在于要求耐高温变化的外触点，其次在于较高温度时不期望的绝缘变差的原料特性。
陶瓷电容器件的外触点要满足多个任务：一方面连接要具有足够的机械稳定性，用于使器件稳定地与其余电子电路例如与DCB衬底(具有直接铜覆层的衬底，英文“directcopper bonded board”)连接。同时这种连接处于机械应力下，它们可能由运行中的电致伸缩力和温度变化引起。温度变化可能由环境感应或者通过器件的固有热量在电流流过时在半导体通断过程期间产生。另一温度加入可能在加工范围中通过钎焊或者烧结工艺产生，它尽管只一次性地发生，但是在由此达到的温度方面高于最高允许工作温度。
具有良好导电性的金属、例如铜或银良好地适合于，保证电的要求和温度稳定性，但是引起陶瓷和金属的不同膨胀效应，机械应力在陶瓷器件体和外触点的过渡上对这种连接的使用寿命带来不利影响。目前的设计兼容性例如使用具有更低膨胀系数的金属，但是它们带来不良的导电性。另一可能性是通过使用适合的几何形状(例如蜿蜒形状)消除应力，但是它们与最佳电感矛盾并且在加工中也需要一定的费用。此外仍然存在在运行中连接的耐温度变化的问题。这可能在通过含铅高温钎焊的钎焊连接情况下出现，这由于原料(RoHs)和可靠性又总是分歧讨论的内容。
发明内容
本发明的任务是，提供一个具有改善的外触点的器件，它尤其对于温度变化是不敏感的。
为此，本发明提出一种器件，包括器件体和至少一连接部件，所述连接部件具有包括聚醚酯酮的塑料体，所述塑料体具有第一部分和第二部分，第一部分与器件体相邻地设置，第二部分与第一部分成角度，所述连接部件通过设置在第一部分上的金属层与器件体连接，其中，所述金属层具有带状的、纵向延伸的几何形状，所述金属层的形状和尺寸基本对应于器件体要接通的一侧，其中，所述塑料体在其外侧面的至少局部部位上具有金属化层，所述金属化层延伸到金属层下方，由此通过金属层并且沿着塑料体实现器件体的电接通，其中，在第二部分上设有连接面，它导电地与金属层连接，所述连接面涂覆在金属化层上，其中，所述金属层包括烧结的银，其中，所述金属层设置在器件体的溅射层或烧结层与金属化层之间，其中，在连接部件上的烧结的银层与在器件体上的溅射层或烧结层的连接通过钎焊实现。
简言之，本发明的器件包括器件体和至少一连接部件，具有塑料体，它通过金属层与器件体连接。不必直接实现连接，而是在塑料体与自身器件体之间连接时可以设有其它覆层。
基本思想是，使外触点上的机械与电的要求相互断耦联，用于充分利用原料各自的优点，它们或者针对器件体与连接部件的电耦联或者针对它们的机械耦联，并且通过其组合保持可靠地接通，它一方面满足在触点部位中的热负荷和相关的应力，而且也满足电的要求-微小的电感和由于低的串联电阻而得到高的载流能力。
机械要求基本通过连接部件的塑料体满足，它由于其柔韧性对于热的和伴随而来的机械负荷是不敏感的。在塑料体与器件体之间的金属层在其电特性方面是最佳的。它包括或者由例如银或其它金属组成，具有良好的电特性、尤其是良好的导电性。
在第一扩展结构中，基本形成连接部件形状的塑料体以一个角度成形，即它具有第一部分和第二部分，第一部分与器件体相邻地设置，第二部分与第一部分成角度。第一部分能够实现器件体的大面积和可靠的接通。第二部分用于接通器件体并且例如可以与衬底连接。如果在塑料体的第一与第二部分之间的角度基本为90°，则能够使器件定位在稳定位置，因为器件可以可靠地放置在第二部分上并且装配在这个位置。该角度在第一和第二部分的横截面延伸方向的相交点之间确定。
在一扩展结构中，所述塑料体在其外侧面、即其外部的至少局部部位上具有金属化层。这个金属化层是薄的导电层，其厚度小于使器件体与连接部件连接的金属层的厚度。厚度例如为75至150μm，优选100至125μm。这种金属化层例如可以包括铜或者由铜组成。在这种铜层(厚度75至150μm，优选100至125μm)上有利地涂覆薄的银层，其厚度为2至6μm，优选3至5μm。这个金属化层有利地延伸到金属层和/或金属层下方，由此通过金属层并且沿着塑料体实现器件体的电接通。当然也可以设想，使整个塑料体金属化，这带来简化的加工和良好的电流传导性。在塑料体上的金属化层允许沿着塑料体输送电流和电压到金属层，并且通过金属层到器件体。
在一扩展结构中，在塑料体的第二部分上设有连接面，它导电地与金属层连接。这个连接面例如可以作为烧结层涂覆在金属化层上。这个连接面例如可以通过钎焊与电路板或者衬底在装配器件时连接。在一实施例中所述烧结层涂覆在镍-金-钯覆层上，其中镍-金-钯覆层也可以覆层整个塑料体。具有良好电特性的镍-金-钯覆层可以以薄层技术涂覆。
在一扩展结构中，所述塑料体包括来自聚醚酯酮(PEEK)或聚酰亚胺族的原料，它们具有良好的机械特性。用于塑料体的原料是耐温度变化的和柔性的，用于接受和承受运行中的机械负荷。
在一扩展结构中，所述金属层包括烧结的银。烧结是一种用于加工原料的方法。在此细粒的、陶瓷的或金属的原料大多在增加的压力下加热到其熔化温度以下的温度。这种金属层可以在约250℃或者以下的温度时烧结。它是耐热的并且以后既不在钎焊时也不在运行期间熔化。备选地也可以通过烧结过程涂覆其它材料。所述连接面可以由与金属层相同的原料在同一加工步骤期间制成。在连接部件上的烧结层与器件体之间的连接可以通过钎焊实现。
在一扩展结构中，所述金属层具有带状的、纵向延伸的几何形状，其宽-厚比大于6，尤其大于30。形状和尺寸可以基本对应于器件体的要接通的一侧。导体带的这个扁平的几何形状在接通时特别有利地影响器件的感应特性。
在一扩展结构中，所述金属层设置在器件体上的溅射层或烧结层与塑料体上的金属化层之间。溅射层或烧结层与器件体内部里面的内电极连接。这种器件体有利地是具有陶瓷介电层和内电极的电容体。介电层例如可以包括反铁电的钙钛矿。使用这种例如具有铜内电极的原料解决在钛酸钡(BaTiO3)基系统中在高温时高泄漏电流的问题，如同在功率电子中常见的那样。
在一扩展结构中，所述器件体是六面体形，在器件体的对置侧面上具有两个角形的连接部件。这是紧凑且稳定的结构。这个实施例允许微小的结构尺寸，它通过陶瓷的良好的电阻率和连接部件也在高温时的可靠连接使器件良好地集成到半导体模块里面。
附图说明
下面借助于附图中的实施例解释本发明。附图示出：
图1电容器件的实施例，
图2器件的器件体实施例的横剖面图，
图3器件的器件体的另一实施例的横剖面图，
图4在连接部件与器件的器件体之间的连接的细节图。
具体实施方式
图1示出电容器件，具有六面体形的陶瓷的器件体1。其尺寸例如可以为7x7x2.5mm。也可以设想7.5x7.5x3.5mm的尺寸。所使用的陶瓷例如可以是反铁电的铅镧锆钛(PLZT)陶瓷。
在器件体1的对置侧面上设有连接部件2，它们以角度与第一和第二部分21,22成形。连接部件2分别具有塑料体23，其形状对应于连接部件2的形状。连接部件2固定器件体1并且允许施加运行电压和电流在器件上。第一部分21与器件体1的侧面相邻地设置并且与这个侧面通过金属层3连接。第二部分22基本与第一部分21成直角地延伸并且允许接通器件，例如通过SMD接通。连接部件2的尺寸适应于器件体1的尺寸。以上面的示例为基础宽度为7至7.5mm。高度为2.5至3.5mm。
图2示出器件的器件体1实施例的横剖面图。
器件体1以多层结构形式构成并且例如可以溅射。它包括陶瓷的介电层9，在其间交替地设置例如铜制的第一和第二内电极7,8。叠摞方向在器件体1的高度方向上延伸。第一电极7一直延伸到外侧面并且在那里通过作为连接面的溅射层或烧结层11电连接。第二内电极8一直延伸到对置的外侧面，并且在那里通过作为连接面的溅射层或烧结层11电连接。器件体1可以单片地构成或者由多个级联的单个陶瓷组成。在运行中电压施加在连接面之间，它通过连接部件2输入。
图3示出器件的器件体1的另一实施例的横截面图。
器件体1在内电极布置方面与前面的实施例不同。第一内电极7一直延伸到外侧面并且在那里通过作为连接面的溅射层或烧结层11电连接。第二内电极8一直延伸到对置的外侧面，并且在那里通过作为连接面的溅射层或烧结层11电连接。相邻的第一和第二内电极在同一平面里面相互间隔地设置。在这些平面之间设置第三、所谓的埋入式内电极6，它们不与连接面连接。电场或者电流基本形成在叠摞方向。这个内电极布置的设计对应于内部串联电路。
图4示出在陶瓷的器件体1与连接部件2之间的连接位置细节图。
连接部件2具有塑料体23，它确定连接部件2的形状。塑料体23的原料是耐热的、柔性的塑料，或者口语中的塑性体，尤其是耐热的、柔性的聚合物并且例如可以包括聚醚酯酮(PEEK)或聚酰亚胺。塑料体23这样地柔性，使得机械负荷在运行中不会导致材料折断。
连接部件2还具有涂覆在塑料体23上的金属化层24，例如由铜或银制成。这个金属化层24可以形成结构，例如导体带形，或者(大)面积地，例如从底面向着面对器件体1的塑料体23一侧延伸，或者全表面地遮盖塑料体的外部。尤其在金属层3的那个侧面部位，例如在背离器件体1的连接部件2一侧上，有选择地设有金属化层24。
在金属化层24与烧结层或溅射层11之间设有金属层3。这例如可以是烧结的银层。银层或者可以烧结在器件体1或者连接部件2上，并且接着与器件的其它部分例如通过钎焊连接。也可以选择通过烧结过程实现连接。银层具有良好的导电性，具有微小的电阻。此外它是耐温度变化的并且既不在钎焊器件时也不在运行引起的温度变化时熔化。
金属层3具有这样的载流能力，其总串联电阻小于陶瓷器件体1的总串联电阻。因此它最好具有大于内电极总横截面积的横截面积，约为1mm2。内电极的总横截面积是或者第一或者第二内电极7,8在平行于溅射层或烧结层11截切时的横截面积。金属层3具有扁平的带状和纵向延伸的几何形状，其宽与厚的比例大于6，且有利地大于30。厚度是金属层3在金属化层24与溅射层11之间的伸展。宽度沿着连接部件2的纵向延展确定，即在图面中向内延伸。
器件体1的触点或外部终端通过所述的多层连接组合机械强度和电载流能力，通过分别使用针对这些方面中的一个方面的不同原料。由此使原料优点与机械顺从性、即机械柔韧性和有利的电特性相互组合。
在连接部件2的第二部分22底面上实现整个器件2在DCB衬底或者其它功率模块衬底上的接通。为此设有的连接面4例如可以是以薄层技术涂覆的镍-金-钯层，在其上在第二部分22底面上可以涂覆烧结的银层。由镍-金-钯组成的连接面4也可以钎焊。
例如可以利用钎焊在SMD装配工艺中实现接通。
电容器件的理想的特征数据是最佳和最大允许电压Vop＝380V或者VDCmax＝560V。在最佳的运行电压时电容为0.5至1μF。
在200kHz和40℃温升时电流为3A_rms。使用寿命在105℃/Vop时可以大于100000小时，或者在125℃/Vop时大于20000小时。
要注意，可以设想实施例，它们具有所述特征的不同组合。
附图标记清单
1 器件体
11 烧焊或烧结层
2 连接部件
21 第一部分
22 第二部分
23 塑料体
24 金属化层
4 连接面
5 衬底
6 内电极
7 内电极
8 内电极
9 介电层
Claims (9)
1.一种器件，包括器件体(1)和至少一连接部件(2)，所述连接部件具有包括聚醚酯酮的塑料体(23)，所述塑料体(23)具有第一部分(21)和第二部分(22)，第一部分与器件体(1)相邻地设置，第二部分与第一部分(21)成角度，所述连接部件(2)通过设置在第一部分(21)上的金属层(3)与器件体(1)连接，其中，所述金属层(3)具有带状的、纵向延伸的几何形状，所述金属层(3)的形状和尺寸基本对应于器件体(1)要接通的一侧，其中，所述塑料体(23)在其外侧面的至少局部部位上具有金属化层(24)，所述金属化层延伸到金属层(3)下方，由此通过金属层(3)并且沿着塑料体(23)实现器件体(1)的电接通，其中，在第二部分(22)上设有连接面(4)，它导电地与金属层(3)连接，所述连接面(4)涂覆在金属化层(24)上，其中，所述金属层(3)包括烧结的银，其中，所述金属层(3)设置在器件体(1)的溅射层或烧结层(11)与金属化层(24)之间，其中，在连接部件上的烧结的银层与在器件体上的溅射层或烧结层的连接通过钎焊实现。
2.如权利要求1所述的器件，其中，在第一与第二部分(21,22)之间的角度基本为90°。
3.如权利要求1所述的器件，其中，所述连接面(4)包括镍-金-钯覆层。
4.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其中，所述塑料体(23)包括来自聚酰亚胺族的原料。
5.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其中，所述金属层(3)具有带状的几何形状，其宽-厚比大于6。
6.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其中，所述金属层(3)具有带状的几何形状，其宽-厚比大于30。
7.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其中，所述器件体(1)包括电容体，具有陶瓷介电层(9)和内电极(7,8)组成的叠摞。
8.如权利要求7所述的器件，其中，所述介电层(9)包括反铁电的钙钛矿。
9.如权利要求1至3中任一项所述的器件，其器件体(1)是六面体形，在器件体(1)的对置侧面上具有两个角形的连接部件(2)。
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