CN106576423A - 具有导热元件的电路载体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有至少一个电绝缘层和至少一个导电层的电路载体。电路载体具有埋入在电绝缘层中的、构造成导热的至少一个导热元件。导热元件构造成用于横向于电路载体的平的延伸面来运送损耗热量。根据本发明，导热元件具有至少两个分别通过金属体形成的子元件。导热元件具有构造成电绝缘的连接层，该连接层布置在子元件之间并且构造成用于使子元件彼此电绝缘和彼此导热地连接。

Description

具有导热元件的电路载体
技术领域
本发明涉及一种尤其是构造成平的电路载体，该电路载体具有至少一个尤其是纤维强化的电绝缘层和至少一个导电层。电路载体具有至少一个布置在电绝缘层中的、尤其是至少部分地或完全埋入在电绝缘层中的、构造成导热的导热元件。导热元件构造成横向于电路载体的平的延伸面来运送损耗热量。构造成平的电路载体具有的宽度延伸比该电路载体的横向于宽度延伸伸延的厚度延伸大。
发明内容
根据本发明，导热元件具有至少两个分别通过金属体构成的子元件。优选地，导热元件具有构造成电绝缘的连接层。连接层布置在子元件之间、并且构造成使子元件彼此电绝缘并且使之彼此导热地连接。
由此，热量、尤其是损耗热量可有利地从一子元件流往另一子元件，其中，子元件有利地相对于彼此电绝缘。因此，例如可形成连接组件，在其中，产生损耗热量的结构元件、例如半导体结构元件与电路载体相连接，其中，半导体元件布置在导热元件的区域中。导热元件可有利地用一子元件来吸收由半导体结构元件产生的损耗热量并且通过连接层将其传递给另一子元件。而后，损耗热量可有利地从另一子元件传送给与该另一子元件导热地连接的冷却体。在另一子元件与冷却体之间的导热的连接优选是材料配合的、用金属形成的连接。因此，与前面所提到的子元件导热地并且导电地连接的半导体结构元件可有利地与热沉、尤其是冷却体电绝缘。
优选地，相对于电路载体的平的延伸面，导热元件具有比导电层、尤其是电路载体的导体电路大的、与面积相关的热容量。由此损耗热量可有利地沿着其横向于平的延伸面伸延的厚度延伸引导穿过电路载体。优选地，导热元件为此具有比导电层大的厚度延伸。
优选地，电路载体平地构造。进一步优选地，电路载体具有比厚度延伸大的宽度延伸或长度延伸。
优选地，导热元件的连接层相对于电路载体共面地延伸。因此，导热元件可有利地使穿过电路载体的导热路径电绝缘。
在一种优选的实施方式中，子元件分别通过铜块形成。因此，导热元件可有利地具有大的导热性，导热性在铜的情况下至少为250W/mK，在电解铜的情况下为400W/mK。
在另一实施方式中，子元件由银形成。因此，电路载体可有利地具有良好的导热性，并且因此可具有大的功率密度，并且进一步有利地可具有紧凑的结构。
在一种优选的实施方式中，导热元件、尤其是子元件具有比导电层大的厚度尺寸。优选地，导电层借助于层压与电绝缘层(例如由预浸材料制成的纤维强化的环氧树脂层)相连接。
因此，有利地，导热元件可相应地相对于电路载体的沿着其平的延伸的面具有比导电层大的、与面积相关的热容量。
在一种优选的实施方式中，连接层粘附性地来构造。进一步优选地，连接层具有粘接材料并且优选地自粘性地来构造。优选地，连接层包括塑料层，进一步优选地包括聚酰胺层或聚酰亚胺层，其例如可通过薄膜形成。塑料层优选地形成载体层，该载体层与至少一个、优选两个粘接材料层相连接。优选地，两个粘接材料层将塑料层包围在中间。由此塑料层可有利地通过两个粘接材料层之一与子元件粘合，并且通过第二粘接材料层与两个子元件中的另一子元件粘合。粘接材料层优选地通过弥散粘接材料、尤其是丙烯酸粘接材料形成。在另一实施方式中，粘接材料层通过树脂层形成。塑料层例如可在压力和温度的作用下与子元件粘在一起。树脂例如是环氧树脂。
连接层例如通过PSA(PSA＝Pressure sensitive Adhesive，压敏粘合剂)形成。因此，导热元件可有利地以合理的开销来提供。
因此，导热元件可有利地通过插入件形成。因此，插入件可有利地以合理的开销制成，优选地制成为独立于电路载体地制造的插入件。子元件可有利地在将导热元件插入到电路载体中的、与导热元件相对应的凹处中之前彼此粘合，并且这样作为彼此粘合的子元件插入到凹处中。
在一种优选的实施方式中，连接层是陶瓷层。优选地，陶瓷层包括氧化铝、氧化铍、碳化硅、碳化硼或氮化硼。
优选地，导热元件有利地通过DBM(DBM＝Direct-Bonded-Metal，直接结合金属)基体、尤其是DBC(DBC＝Direct-Bonded-Copper，直接结合铜)基体形成。在子元件与用陶瓷形成的连接层之间的连接优选是共晶连接。因此，子元件可有利地材料配合地与连接层相连接。
两个子元件例如由铜或铝形成，或一子元件由铜形成，并且另一子元件由铝形成。
前面所提到的共晶连接例如可以通过以下方式来产生：子元件、尤其是铜或铝元件在一侧上氧化处理并且以如此产生的金属氧化层朝连接层、尤其是陶瓷层按压。在按压过程期间，将连接层、尤其是陶瓷层以及至少一子元件加热到至少1000摄氏度。结果可由此有利地产生导热元件，该导热元件有利地具有高的强度并且可进一步有利地经受住大量的温度交变负荷，而没有分层。
在一种优选的实施方式中，导热元件是HTCC(HTCC＝High-Temperature-Cofired-Ceramics，高温共烧陶瓷)基体。因此可有利地在附加地良好的电绝缘性的情况下形成导热元件的大的导热性。
在另一有利的实施方式中，导热元件通过AMB(AMB＝Active-Metal-Brazed，活性金属钎焊的)基体形成。优选地，AMB基体包括至少一个铜层和至少一个陶瓷层，尤其是氧化铝、氮化硅、氮化铝或氧化铍。因此，导热元件可有利地具有较好的导热性。AMB基体的陶瓷层借助于焊膏与铜层硬焊接在一起。
在一种优选的实施方式中，电路载体具有至少一个其他的电绝缘层，其中，电路载体的至少一个导电层和导热元件将其他的电绝缘层包围在中间。导热元件借助于至少一个引导穿过其他的电绝缘层的、导热的金属桥与导电层导热连接。导热的金属桥优选地通过尤其以电镀的方式产生的通路(Via)形成。因此，电路载体可有利地借助于层压由多个预浸材料层形成。前面所提到的导电层优选地平行于导热元件的指向导电层的表面延伸，该导电层借助于金属桥尤其材料连接地与导热元件、尤其是导热元件的子元件相连接。
在电路载体的一种优选的实施方式中，金属桥通过尤其以电镀的方式产生的通路形成。在另一种实施方式中，通路通过热喷涂、尤其是等离子喷涂或HVOF(HVOF＝High-Velocity-Oxy-Fuel，超音速火焰喷涂)喷涂来产生。因此，金属桥可有利地布置在构造在电绝缘层中的穿孔中。
在一种有利的实施方式中，导电层具有用于导热元件的凹部或穿孔。导热元件有利地引导穿过导电层并且一直延伸到导电层的表面。因此，电路载体有利地不需要前面所提到的金属桥，金属桥构造成将导热元件、尤其是导热元件的至少一子元件与导电层导热地连接。
在电路载体的一种优选的实施方式中，连接层通过导热粘接材料形成。导热粘接材料优选地具有用作粘接材料基体的环氧树脂或硅弹性体。进一步优选地，导热粘接材料具有颗粒、尤其是陶瓷颗粒。陶瓷颗粒优选是氮化硼颗粒或氧化铝颗粒或碳化硼颗粒。因此导热元件可有利地以合理的开销来制造。
本发明也涉及一种连接组件，该连接组件包括根据前面所说明的类型的电路载体。连接组件具有至少一个与导电层相连接的半导体结构元件，进一步优选地，连接组件具有热沉、尤其是冷却体或散热元件。电路载体在电路载体的背对半导体结构元件的一侧与冷却体导热地连接。因此，损耗热量可有利地从半导体结构元件、尤其是功率半导体结构元件运送给由冷却体形成的热沉，其中，半导体结构元件与冷却体电绝缘。半导体结构元件和冷却体分别与电路载体相连接、例如焊接，并且布置在电路载体的彼此对置的侧面上。
本发明也涉及一种用于将损耗热量从半导体结构元件穿过电路载体、尤其是根据前面所说明的类型的电路载体引给热沉、尤其是冷却体的方法。在方法中，将损耗热量从半导体结构元件传导给与半导体结构元件相连接的、尤其是焊接的导电层。进一步将损耗热量尤其是通过至少一个导热的金属桥引导穿过至少一个电绝缘层并且引导给埋入在至少一个电绝缘层中的、与金属桥材料配合地连接的导热元件。进一步将损耗热量从导热元件通过至少一个其他的金属桥传送给另一导电层，并且从那里传送给热沉、尤其是冷却体。
优选地，导热元件具有至少两个分别通过金属体形成的并且通过电绝缘的连接层彼此连接的子元件，其中，两个子元件中的一子元件与金属桥相连接，并且另一子元件与其他的金属桥导热地连接，使得损耗热量可从半导体结构元件穿过连接层流往冷却体。
附图说明
现在在下文中借助于附图和其他的实施例来阐述本发明。其他的有利的实施方案变型从在附图中并且在从属权利要求中所说明的特征中获得。
图1示出了用于产生多层地构造的电路载体的方法步骤的实施例，在该方法步骤中在电路载体中冲出穿孔；
图2示出了在图1中示出的电路载体，在其中，在另一个方法步骤中在穿孔中插入导热元件；
图3示出了在图2中产生的、包括导热元件的电路载体；
图4示出了在图3中示出的电路载体，在其中，导热元件通过引导穿过电绝缘层的金属桥与电路载体的导电层相连接；
图5示出了连接组件，该连接组件包括在图4中示出的电路载体，其中，电路载体与热沉和半导体结构元件相连接；
图6示出了在图4中示出的电路载体的俯视图；并且
图7示出了具有电路载体的连接组件的一种变型方案，在其中，导热元件延伸穿过至少一个外部的导电层并且以导电层的表面结束。
具体实施方式
图1示出了用于产生多层地构造的电路载体的方法步骤的一实施例。在图1中所示出的方法步骤中，在包括电绝缘层2的电路载体的一部分中，在比电绝缘层2的表面区域小的表面区域24上借助于冲孔工具23或在图1中未示出的钻孔工具产生凹处或穿孔。
在图1中示出的实例中，电绝缘层2与其他的导电层5、6、7和8相连接，并且因此形成多层地构造的电路载体的核心。
图2示出了一个方法步骤，其中，在此前在图1中所示出的方法步骤中产生的穿孔9中插入导热元件12。导热元件12具有两个子元件13和14，两个子元件相应地借助于连接层15彼此导热连接并且彼此电绝缘。
图3示出了电路载体的在图1和2中示出的部分，其中，导热元件12插入到在图2中示出的穿孔9中。
图4示出了电路载体1。该电路载体1在另一方法步骤中具有层压到电路载体的在图3中示出的部分上的电绝缘层3。此外，在电绝缘层3中产生至少一个通路，在该实施例中产生三个通路，在这三个通路中示例性地标出一个通路16。在该实施例中，通路分别通过尤其是柱状的金属桥形成。
在图4中示出的电路载体1也具有导电层10，该导电层层压到电绝缘层3上。通路(例如通路16)相应地构造成将导电层10和导热元件12的子元件13导热地并且附加地导电地彼此连接起来。
电绝缘层4在电绝缘层2的背对电绝缘层3的一侧借助于层压与电绝缘层2相连接。在电绝缘层4中构造了至少一个通路，在该实施例中构造了三个通路，在这三个通路中示例性地标出了一个通路17。通路(例如通路17)分别通过金属桥形成，金属桥例如通过电镀或热喷涂产生。通路(例如通路17)与子元件14导热地并且导电地连接。通路(例如通路17)与导电层11相连接，导电层11与电绝缘层4相连接。
因此，导电层10和11分别与导热元件12的子元件导热地连接并且相对于彼此电绝缘。因此，对于电路载体4，可将半导体结构元件钎焊到导电层10上并且将作为热沉的冷却体钎焊到导电层11上。
图5示出了一种连接组件，在其中，电路载体1与半导体结构元件21并且与通过冷却体20形成的热沉焊接连接。在图4中已经示出的导电层借助于焊剂层18与半导体结构元件21相连接。半导体结构元件21例如通过二极管、半导体开关(尤其是场效应晶体管)形成。半导体开关例如通过也称为Bare-Die(裸芯片)的无壳体的半导体开关或通过罩住的半导体开关形成。
在该实施例中，冷却体20通过铜块形成。在铜块中构造有流体通道，在流体通道中示例性地标出一条流体通道22。在该实施例中，冷却体20借助于焊剂层19与导电层11相连接。冷却体20与半导体结构元件21对置地布置在电路载体1上，使得由半导体结构元件21产生的损耗热量25可从半导体结构元件21经过焊剂层18、导电层10、通路(例如通路16)流往导热元件12的子元件13。此外，损耗热量25可经过连接层15流往子元件14，并且从那里经过通路(例如通路17)流往导电层11，并且从那里继续经过焊剂层19流往作为热沉的冷却体20。损耗热量可在冷却体20中通过在流体通道(例如流体通道22)中引导的冷却流体(例如冷却水)排走。
冷却体20可具有取代流体通道的肋状散热片，肋状散热片构造成借助于对流排走损耗热量25。
图6以俯视图示出了已经在图3中示出的电路载体1。导热元件12的表面区域24构造得比电绝缘层2的、沿着电路载体的平的延伸的表面区域小。
图7示出了已经在图5中示出的连接组件的一种变型方案。根据图7的连接组件具有电路载体26，该电路载体借助于焊剂层18与半导体模块21相连接并且借助于焊剂层19与冷却体20相连接。在图4所示出的实施例中，电路载体26多层地构造并且包括处于里面的电绝缘层2、与电绝缘层2相连接的其他的导电层5、6、7和8以及将电绝缘层2包围在中间的两个其他的电绝缘层3和4。电绝缘层3与导电层10相连接，并且电绝缘层4与导电层11相连接。因此，导电层10和11将前面所提到的电绝缘层2、3和4以及导电层5、6、7和8尤其根据三明治的方式包围在中间。在如此形成的电路载体26中，可根据在图1中示出的方法步骤借助于冲孔工具23或借助于钻孔工具来产生凹处，在该实施例中产生穿孔27。而后可根据在图2中示出的方法步骤在穿孔27中插入导热元件12。在图7所示出的实施例中，导热元件12具有与多层地构造的电路载体26相同的厚度延伸28。
在该实施例中，半导体模块21不仅在子元件13之上延伸，而且在导电层10的一部分之上延伸。半导体模块21由此借助于焊剂层18与导电层10并且与子元件13焊接连接。
在该实施例中，半导体模块21具有电接头，该电接头通过半导体模块21的表面区域形成。半导体模块21的表面区域通过焊剂层18与导电层10导电地连接，并且通过焊剂层18与子元件13导电地并且导热地连接，从而可将由半导体模块21产生的损耗热量25传送给子元件13。损耗热量25可通过电绝缘的连接层15传送给子元件14，并且可从那里经过焊剂层19传送给冷却体20。冷却体20例如通过铜冷却体或通过铝冷却体形成。子元件13和14分别通过金属块(例如铜块或铝块)形成。

Claims (10)

1.一种电路载体(1、26)，具有至少一个纤维强化的电绝缘层(2)和至少一个导电层(5、6、7、8、10、11)，其中，所述电路载体(1、26)具有埋入在所述电绝缘层(2)中的凹处(9)中的、构造成导热的至少一个导热元件(12)，所述导热元件构造成用于横向于所述电路载体(1、26)的平的延伸面来运送损耗热量(25)，其特征在于，所述导热元件(12)具有至少两个分别通过金属体形成的子元件(13、14)以及构造成电绝缘的连接层(15)，其中，所述连接层(15)布置在所述子元件(13、14)之间，并且构造成用于使所述子元件(13、14)彼此电绝缘和彼此导热地连接。
2.根据权利要求1所述的电路载体(1、26)，其特征在于，所述连接层(15)是构造成自粘性的塑料层。
3.根据权利要求1所述的电路载体(1、26)，其特征在于，所述连接层(15)是陶瓷层。
4.根据权利要求3所述的电路载体(1、26)，其特征在于，所述导热元件(12)是直接结合的金属基体，在其中，所述子元件与用陶瓷形成的连接层共晶连接。
5.根据权利要求3所述的电路载体(1、26)，其特征在于，所述导热元件(12)是高温共烧陶瓷基体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路载体(1)，其特征在于，所述电路载体的至少一个导电层和所述导热元件将其他的电绝缘层(3、4)围在中间，其中，所述导热元件(12)借助于引导穿过所述其他的电绝缘层(3、4)的至少一个导热金属桥(16、17)与所述导电层(10、11)导热地连接。
7.根据权利要求6所述的电路载体(1)，其特征在于，所述金属桥(16、17)通过通路形成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电路载体(16、17)，其特征在于，所述连接层(15)通过导热粘接材料形成。
9.一种连接组件，具有根据前述权利要求1到8中任一项所述的电路载体(1)，其中，所述连接组件具有与所述导电层相连接的至少一个半导体结构元件(21)，并且所述电路载体(1)在该电路载体(1)的背对所述半导体结构元件(21)的一侧与热沉(20)导热地连接。
10.一种用于将损耗热量(25)从半导体结构元件(21)穿过电路载体(1)、尤其是穿过根据前述权利要求1到8中任一项所述的电路载体引出给热沉(20)的方法，在其中，所述损耗热量(25)从所述半导体结构元件(21)传导给与所述半导体结构元件(21)相连接的、尤其是焊接的导电层(10)，并且尤其是经由至少一个导热金属桥(16)引导穿过至少一个电绝缘层(2、3)，并且引导给埋入在所述至少一个电绝缘层(2、3)中的、与所述金属桥(16)材料配合地连接的导热元件(12)，并且从所述导热元件(12)经由至少一个其他的金属桥(17)传送给另一导电层(11)且从那里传送给所述热沉(20)，其中，所述导热元件(12)具有至少两个分别通过金属体形成的并且通过电绝缘的连接层(15)彼此连接的子元件(13、14)，其中，两个子元件(13、14)中的一子元件(13)与所述金属桥(16)相连接，并且另一子元件(14)与其他的金属桥(17)导热地连接，使得所述损耗热量(25)能从所述半导体结构元件(21)穿过所述连接层(15)流往所述热沉(20)。
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