CN110114872B - 用于电器件的载体衬底和用于制造载体衬底的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于电器件(13)的载体衬底(1)，其中所述载体衬底(1)具有器件侧(4)和与所述器件侧(4)相对置的冷却侧(5)，所述冷却侧具有冷却结构(30)，其中所述载体衬底(1)为了进行电绝缘包括朝向所述器件侧(4)并且由陶瓷制成的初级层(10)并且为了加固所述载体衬底(1)包括朝向所述冷却侧(5)的次级层(20)，其特征在于，为了进行从所述器件侧(4)至所述冷却侧(5)的热传导，在所述初级层(10)和所述次级层(20)之间设置有金属的中间层(15)，其中所述金属的中间层(15)比所述初级层(10)和/或所述次级层(20)厚。

Description

用于电器件的载体衬底和用于制造载体衬底的方法
技术领域
本发明涉及一种用于电器件，尤其电子器件的载体衬底和一种用于制造载体衬底的方法。
背景技术
载体衬底例如作为DE 10 2004 033 933 A1中的电路板或者印刷电路板是已知的。典型地，在载体衬底的器件侧上设置有电器件和带状导线，其中电器件和带状导线可共同连接为电开关电路。针对特殊应用，如下载体衬底已证实是尤其有利的，所述载体衬底为了进行各个电器件和带状导线的电绝缘具有绝缘层，例如由陶瓷制成的初级层，所述绝缘层具有高的电绝缘强度。
在载体衬底运行时，电器件典型地承受应力，使得所述电器件发热并且在器件侧上构成局部的热源。为了避免电器件或载体衬底因加热引起的损坏，因此从现有技术，例如从DE 10 2009 022 877 A1中知悉如下热沉或冷却结构，所述热沉或冷却结构通常焊接在与器件侧相对置的冷却侧上，所述冷却侧例如构成为邻接于初级层的铜层或者铜基底。为了通过热沉或者通过冷却结构提供充分的热容量，热沉和/或冷却结构必须相应大地定尺寸，由此不利地无法避免针对载体衬底的满足结构空间的设计方案。
此外，特定的电结构元件或其功率密度对于载体衬底的冷却性能提出提高的要求。此外，在使用电器件时，在载体衬底处出现寄生的感应，所述寄生的感应不利地影响载体衬底的运行。最后，在这种载体衬底中，电磁兼容性通常对所使用的导体结构或金属结构提出高的要求。
发明内容
由此，本发明的目的是，关于大小、重量、冷却性能、电磁兼容性和寄生感应性改进具有例如由陶瓷制成的初级层的载体衬底。
该目的通过根据本发明的用于电器件的载体衬底和根据本发明用于制造载体衬底的方法实现。本发明的其它优点和特征从说明书以及附图中得出。
根据本发明提出一种用于电器件尤其电子器件的载体衬底，其中载体衬底具有器件侧和与器件侧相对置的冷却侧，所述冷却侧具有冷却结构，其中载体衬底为了进行电绝缘包括朝向器件侧的并且尤其由陶瓷，例如Al2O3、Si3N4、AlN或者HPSX陶瓷(即具有Al2O3基质的陶瓷，所述Al2O3基质包括x百分比的ZrO2，例如等同于HPS9的具有9％的ZrO2的Al2O3，或者等同于HPS25的具有25％的ZrO2的Al2O3)，制成的初级层，并且为了加固载体衬底具有朝向冷却侧的次级层，其中为了从器件侧至冷却侧的热传导，在初级层和次级层之间设置有金属的中间层，其中所述金属的中间层比初级层和/或次级层厚。
初级层具有电绝缘强度高和/或导热能力强的绝缘层，所述电绝缘强度优选大于5kV/mm，尤其优选大于10kV/mm、20kV/mm或者甚至大于30kV/mm，所述导热能力优选大于10W/mK，尤其优选大于20W/mK或者甚至大于60W/mK，例如技术陶瓷或者以导热材料填充的有机绝缘材料。初级层和/或次级层的厚度优选设计和选择为，使得所述厚度符合对介电强度或击穿场强的要求。在此已证实，这在大量应用中要求由已经提到的陶瓷材料构成的初级层和/或次级层的0.1mm至0.4mm的厚度。而在这种载体衬底的情况下，其中所述载体衬底例如在高压直流传输时需要借助于基于SiC工作的新型半导体结构元件的10kV至15kV的介电强度，需要初级层和/或次级层直至2mm或者更大的层厚度。
根据现有技术，载体衬底以夹层构造方式来提供，其中初级层和次级层通过金属的中间层间隔开。通过中间层，来自局部的热源的热流更好地朝向次级层或冷却侧扩散并且确保在冷却侧上的更大面积的热量分布，所述冷却侧形成用于运走热量的关键的传热面。由此可改进整个载体衬底的静态热阻(RTH)，即在载体衬底的静态运行中出现的热阻。例如可以这种方式使静态热力学的热阻的改进高达30％。因此，能够弃用在载体衬底的冷却侧上的尺寸过大的冷却结构，否则所述尺寸过大的冷却结构包括3mm至5mm厚的底板。这不仅以有利的方式引起：能够省去材料从而降低制造耗费，而且也允许尤其关于在器件侧上的以及在冷却侧上的金属覆层对称地设计载体衬底，由此能够抵抗在运行时热感应机械应力或机械杠杆作用。否则这种机械应力可能——例如以双金属效应的形式——并且尤其在使用厚的冷却结构时导致载体衬底的弯曲。
除此之外，中间层引起：瞬态的或动态的热阻(ZTH)足够地定尺寸，因为在接通过程或者功率峰值情况下中间层能够短暂地吸收或储存热量。在这种情况下，需考虑的是，载体衬底优选关于其静态热力学的热阻来设计。在这种情况下，静态热力学的热阻优选在大约20s至30s之后出现并且能够有利地在器件处测量。为了比较不同系统的动态特性，也可以设想的是，在接通过程开始后300ms测量热阻。
此外证实为有利的是，相对厚的中间层有助于加固或稳定整个载体衬底。在此，载体衬底，尤其不仅相对于固有应力而且相对于外力，例如因冷却液体对载体衬底的作用而引起的外力，证实为是足够坚固的。此外，可有利地减小陶瓷层的层厚度。
根据本发明的一个优选的实施方式提出，中间层的厚度为初级层和/或次级层的1.1倍和10倍之间，优选在1.2倍和5倍之间，尤其优选在1.3倍和3倍之间，或者甚至基本上是其1.5倍。但是，中间层也能够具有其它厚度。特别地，中间层的厚度在1mm和10mm之间，优选在1mm和5mm之间，尤其优选在1.5mm和5mm之间，或者甚至基本上1.5mm。以令人惊讶地发现，位于这些值域之外的静态热阻，也就是说，具有增大的和减小的中间层厚度的静态热阻，尤其关于初级层和/或次级层的厚度变差。相应有利的是，为了优化冷却性能相应调整中间层厚度。
根据本发明的一个优选的实施方式提出，中间层的厚度为初级层和/或次级层的2.5倍和100倍之间，优选在3.5倍和50倍之间，尤其优选在10倍和25倍之间，或者甚至基本上是其20倍。但是，中间层也能够具有其它厚度。特别地，中间层的厚度在1mm和10mm之间，优选在1mm和5mm之间，尤其优选在1.5mm和5mm之间，或者甚至基本上3mm。如此厚的中间层有利地实现在中间层中的最佳的热量扩散，由此以有利的方式在所运输的热量经由冷却结构导出之前使其尽可能均匀地分布。
根据本发明的另一实施方式提出，中间层厚于1mm，优选厚于1.4mm并且尤其优选厚于1.9mm。这些相对厚的中间层尤其对于大多数不同的载体衬底类型而言证实为对于热量扩散是有利的。在此，有利地可行的是，中间层被设计得厚，使得在冷却侧上的冷却结构的大小再次能够更小地定尺寸。甚至可设想的是，尽管中间层厚度增大，但是冷却结构能够更小地定尺寸，使得整体上可减小载体衬底的总厚度。
适宜地提出，冷却结构具有基本体区域和接片区域，其中接片区域厚度与基本体厚度的比(SD/BD)具有在1.2至6之间的值，优选在1.4和3之间的值并且尤其优选在1.6和2.5之间的值。在类似的冷却功率中已有利地发现，接片区域，即冷却体的翅片，可显著更短地定尺寸。结果是载体衬底的更紧凑的构造形式和优化的流比。已证实尤其有利的是，选择在1.6和2.5之间的比，因为由此不仅可实现改进的冷却作用，而且可实现载体衬底的相对紧凑的结构形式。接片区域优选通过垂直地从基本体区域突出的接片或翅片形成，而基本体区域尤其形成实心的或闭合的区域。也可以考虑的是，接片相对于垂直于基本体区域的定向倾斜。特别地，接片区域厚度和基本体厚度沿着垂直于主延伸平面伸展的方向来测量。
优选地，冷却结构厚度，尤其有效的冷却结构厚度，是金属的中间层的0.03倍至1倍，优选0.1倍至0.5倍并且尤其优选0.15倍至0.3倍。已令人惊讶地发现，可实现如此薄的冷却结构厚度。除了总厚度减小，有利地可行的是，如此确定冷却结构厚度，使得其具有如下厚度，尤其有效的冷却结构厚度，所述厚度与在相对置的器件侧上的金属化部的厚度类似。在有效的冷却结构厚度中一起考虑的是，冷却结构不是平坦的，而是结构化的，即认为结构化的冷却结构的厚度和未结构化的冷却体的厚度等价。
原则上，尤其由陶瓷制成的初级层扁平且板状地设计并且优选在载体衬底的整个器件侧上延伸，其中次级层尤其平行于初级层定向。在器件侧上，具体而言在初级层的背离中间层的一侧上，尤其设置有金属的连接元件和带状导线，所述金属的连接元件和带状导线优选设置用于操控安置在连接元件上的电器件，所述电器件与金属的连接元件导电连接。此外，根据本发明的一个实施方式提出，冷却侧上的冷却结构直接连接到次级层上，也就是说，在冷却结构和次级层之间不设置钎焊金属等，除了如下钎焊金属，其能够实现冷却体与次级层的直接连接，例如通过活性钎焊过程或者DCB工艺。此外，直接连接到次级层上的冷却结构的平行于初级层连续延伸的部分比金属的中间层薄。相应的层即中间层、初级层和次级层的垂直于初级层的主延伸平面伸展的扩展理解为层厚度，其中初级层、中间层和次级层尤其沿着垂直于初级层的主延伸平面伸展的方向上下堆叠或设置。
此外，可设想的是，中间层多层地设计。在这种情况下，载体衬底能够通过至少三层的上部的多层片层和至少三层的下部的多层片层制造，所述上部的多层片层由带状导线(必要配备有组件)、初级层和中间层的第一层构成，所述下部的多层片层由中间层的第二层、次级层和冷却结构构成。上部的和下部的多层片层在此能够借助于DCB法、DAB工艺、扩散焊接、钎焊连接或者通过烧结工艺，例如银烧结，或者另一层，例如导热的粘接性的绝缘层，例如环氧树脂层或者聚酰胺层，彼此连接。
除此之外，还可以考虑的是，载体衬底以夹层结构形式具有一个或多个其它的初级层以进行电绝缘、一个或多个其它的次级层以稳定载体衬底，和/或一个或多个其它的中间元件以将热量从器件侧运输至冷却侧。电器件例如是由Si、SiC或者GaN构成的半导体结构元件。
其它优点和特征从接下来对根据本发明的主题的优选的实施方式的描述中得出。单一的实施方式的各个特征在此能够在本发明的范畴中彼此组合。
为了提供中间层的充分的热容量，此外提出，中间层的层厚度大于初级层和次级层的相加的层厚度，优选大于其两倍，优选大于其三倍并且尤其优选大于其五倍。也可设想的是，中间层的层厚度与载体衬底的总厚度的比具有在0.2和0.8之间的值，优选在0.3和0.7之间的值，并且尤其优选在0.4和0.6之间的值。在此，载体衬底的总厚度沿着垂直于初级层伸展的方向从位于器件侧上的带状导线直至位于载体衬底的冷却侧上的冷却结构的终止部来测量。在一个尤其紧凑的实施方式中，载体衬底的总厚度小于8mm，优选小于6mm并且尤其优选基本上4mm。
优选提出，带状导线、金属的中间元件、中间层和/或冷却结构由包括铝、钼、钨、CuMo、CuW、因瓦合金(Invar)、可伐合金(Kovar)和/或银的材料制成。尤其优选地，带状导线、金属的连接元件、中间层和/或冷却结构由包括铜的材料制成。也有利的是，带状导线、金属的连接元件、中间层和/或冷却结构由复合材料，例如所提到的金属的层压实现或者实现为在粉末冶金方面制造的金属基质复合物。这种复合材料优选能够由已经提及的金属制成，但是出于CTE匹配和提高的强度的目的借助于金属基质复合材料来实现，所述金属基质复合材料由陶瓷颗粒填充，例如具有Al2O3和/或SiC和/或Si3N4或者还有石墨或金刚石粉末的Al。为了提供载体衬底的足够的稳定性，初级层和/或次级层设计为，使得初级层和/或次级层的弹性模量大于带状导线的弹性模量。除此之外，在一个有利的实施方式中提出，初级层并且必要时次级层由一种材料制成，所述材料的电绝缘强度大于5kV/mm，优选大于10kV/mm，并且尤其优选大于20kV，或者其导热能力大于10W/mK，优选大于20W/mK并且尤其优选大于60W/mK。
在这种情况下例如是技术陶瓷，或者尤其在次级层中是以导热材料填充的有机绝缘材料，例如环氧树脂或者聚酰亚胺。对于构成初级层和/或次级层或者作为用于有机绝缘材料的填料已证实尤其有利的是Al2O3、Si3N4、AlN、BeO、SiC或MgO。同样证实为有利的是基于Al2O3的陶瓷，所述陶瓷除了典型的烧结添加物外，出于转换增强的目的能够具有不同的ZrO2含量，例如具有9％的ZrO2的Al2O3，即HPS9，或者具有25％的ZrO2的Al2O3，即HPS25。
根据本发明的另一实施方式提出，金属的中间层单层地设计。单层尤其理解为，金属的中间层一件式地设计并且至少局部地将初级层和次级层彼此连续地连接。换言之：单层的中间层朝向一侧邻接于初级层而朝向另一侧邻接于次级层。通过单层的设计方案可以有利的方式降低在制造载体衬底时的耗费，因为能够弃用多个层片的用于形成中间层的堆叠和连接。
在本发明的一个尤其有利的实施方式中提出，为了避免载体衬底完全弯曲，初级衬底和次级衬底在其热膨胀方面，尤其在其膨胀系数方面，彼此匹配。在这种情况下，初级衬底除了初级层之外还包括中间层和带状导线层的一部分，而次级衬底除了次级层外还包括中间层和冷却结构的另一部分。在初级衬底和次级衬底之间设置有中间衬底或中间层的中间部分。优选地，初级衬底和/或次级衬底的层厚度和/或材料彼此匹配为，使得载体衬底在初级层的区域中并且在次级层的区域中同样地膨胀。结果是，能够以有利的方式抵抗可能在运行时或者在制造载体衬底时出现的因温度引起的热应力从而能够减小使载体衬底拱起的双金属效应的概率，而在此不使载体衬底的电绝缘特性变差。
优选地，载体衬底为此相对于中间层在热机械方面镜像对称地设计，也就是说，层厚度和制成初级层和次级层的材料尤其在热机械特性方面彼此对应。替选地，也可设想的是，在初级层和次级层的几何形状相同时，次级层的材料具有如下膨胀系数，所述膨胀系数对应于初级层的材料的膨胀系数或者至少关于其大小是类似的，使得在待期望的温度分布中进行初级层的均匀的膨胀和次级层的均匀的膨胀。也可以设想的是，在选择和设计初级层和次级层时也考虑在载体衬底上的可能的或者待期望的温度梯度。
有利地，设置用于进行流体冷却的冷却结构作为载体衬底在冷却侧上的终止部，直接邻接于次级层，其中冷却结构尤其设计为肋结构、针结构和/或凸起结构。特别地，冷却结构集成到载体衬底中。原则上可设想气体和冷却液体作为流体。通过使用为了与冷却结构接触以进行换热的冷却液体，朝向冷却侧运输的热量可尽可能快且有效地从载体衬底带走。这有利地进一步提高冷却性能。此外，通过使用金属的中间层，作为协同效应也引起，可降低冷却结构的型材深度。例如，冷却结构具有的长宽比小于8，优选小于3并且尤其优选小于1。具有小的长宽比的冷却结构的另一优点是其稳定性。此外，为了防腐蚀，冷却结构优选用防腐蚀层，例如尤其NiP、Ni、SiO2、Al2O3、TiOx、NiAu、NiPdAu层来覆层。由此可在载体衬底的使用寿命内尽可能长时间地维持载体衬底的所实现的冷却性能，以及整个冷却系统或其其它部件的使用寿命。
根据本发明的另一实施方式提出，初级层具有覆镀通孔，和/或为了形成另一带状导线，中间层具有接触元件。由此，可将金属的中间层有利地用作为另一带状导线，经由所述另一带状导线能够引导用于操控各个器件的电流，由此可降低或改进寄生的感应性干扰场或干扰效应，以改进对电器件的操作，并且可降低或改进电磁兼容性，并且可提供低感应性的载体衬底。
为了使中间层导电地与位于初级层上的金属的连接元件连接，设有覆镀通孔或通道。在此，覆镀通孔设计为初级层中的贯通孔，其中贯通孔分别以导电的填充材料，尤其导电膏填充。优选地，覆镀通孔沿着垂直于初级层的主延伸平面的方向直接设置在金属的连接元件下方。为了操控金属的中间层或者为了加载电压，提出，金属的中间层具有自身的接触元件或者经由覆镀通孔与位于器件侧上即位于初级层的背离中间元件的一侧上的接触元件导电连接。也可设想的是，对位于器件侧上的电器件的操控不经由覆镀通孔进行，而是通过带状导线进行，所述带状导线部分地或者局部地围绕初级层从而建立器件侧和中间层之间的接触。
优选地，次级层由陶瓷或者由钼、钨或者基于WCu或者MoCu的复合材料制成。借助于由陶瓷构成的次级层可提供尤其稳定的载体衬底，其中当中间层用作为另一带状导线时，由陶瓷制成的次级层尤其适合于电绝缘。因此，当由SiC或者GaN构成的半导体元件设置为电器件时，使用由陶瓷制成的次级层证实为是有利的。但是，为了降低制造成本，也可以有利的方式使用由钼构成的次级层，尤其在不需要相应的绝缘的情况中是次要的。
在本发明的另一实施方式中提出，金属的中间层、带状导线和/或冷却结构为了提高耐温度交变性在朝向初级层和/或次级层的侧上具有刻蚀的结构。由此在中间层的、带状导线的和金属的连接元件的表面上产生开口，即“隐藏微坑(hidden dimple)”结构，所述结构指向初级层和/或次级层，由此能够以有利的方式将载体衬底的耐温度交变性提高十倍。这些结构在此点状或者线状地被刻蚀。金属的中间层优选不仅在朝向初级层的侧上而且在朝向次级层的侧上具有刻蚀的结构。也可以考虑的是，中间层具有至少一个刻蚀的贯通孔或者沿着线设置的点状的刻蚀的结构，所述结构不彼此上下叠置。
优选提出，载体衬底具有包套器件侧的壳体部件，尤其设计为铸造件的壳体部件，其中所述壳体部件优选与设置在冷却侧上的冷却结构齐平。壳体部件有利地保护位于器件侧上的电器件免受外部影响。为了与位于载体衬底上的电器件通信，接触元件优选伸展穿过壳体部件并且作为在壳体部件的外侧上的接触部供用户使用。壳体部件与冷却结构的齐平由于如下原因证实为是有利的：其使得用户可以将载体衬底安装在热沉上，尤其用作为热沉的固体上，例如与其它载体衬底一起，或者将用于形成流体通道，尤其液体通道的壳元件或器件耦联到冷却结构上。
在本发明的一个有利的实施方式中提出，冷却结构在金属层中具有凹部以形成在邻接于次级层的边缘走向的区域中的膨胀缝。尤其提出，用作为膨胀缝的凹部不由次级层覆盖。由此有利地可行的是，冷却结构的热纵向膨胀不引起机械应力的构成，其方式是：用作为膨胀缝的凹部承受冷却结构的纵向膨胀。
本发明的另一主题是一种用于制造载体衬底的方法。所有针对根据本发明的载体衬底所描述的特征和其优点类似地同样转用于根据本发明的方法并且反之亦然。
具体而言，用于制造载体衬底的方法提出，带状导线层、初级层、次级层、中间层和冷却结构通过统一的连接方法，尤其同时在共同的方法步骤中接合或键合。尤其提出，冷却结构在载体衬底制造的过程中连接到次级层上。通过同时接合或键合各个层可以有利的方式避免在制造时各个层的完全弯曲，如其在后续接合冷却结构时所常见。作为接合方法或者连接方法可设想的是，DCB法、活性钎焊、硬钎焊或者粘接。
替选地也可设想的是，将两个或更多个子衬底分开地在第一步骤中借助于已经提及的接合方法接合，例如将初级层与带状导线层和金属的中间层的一部分接合，以及将次级层与金属的中间层的一部分和冷却结构接合。这两种单独层压在第二接合步骤中借助于常规的接合工艺例如DCB法、硬钎焊、软钎焊、扩散焊接或者烧结工艺接合为根据本发明的衬底。
对于本领域技术人员而言，将DCB法(Direct Copper Bond Technology，直接铜键合技术)理解为如下方法，所述方法例如用于将金属层或金属板(例如铜板或铜薄膜)彼此连接和/或与陶瓷或陶瓷层连接，更确切地说，利用金属板或铜板或者金属薄膜或铜薄膜使其连接，所述金属板或铜板或金属薄膜或铜薄膜在其表面侧上具有如下层或涂覆层(熔融层)，所述层或涂覆层由金属和反应性气体优选氧气构成的化合物构成。在例如在US 3 744120 A或者DE 23 19 854 C2中所描述的该方法中，该层或该涂覆层(熔融层)通过低于金属(例如铜)的熔化温度的熔化温度形成共晶体，使得通过将薄膜铺设到陶瓷上并且通过加热所有层，能够将它们彼此连接，更确切地说，通过基本上仅在熔融层或氧化物层的区域中金属或铜的熔化。
特别地，DCB法于是例如具有下述方法步骤：
-将铜薄膜氧化，使得产生均匀的铜氧化物层；
-将铜薄膜铺设到陶瓷层上；
-将复合物加热到大约1025℃至1083℃之间，例如大于1071℃的工艺温度；
-冷却到室温。
例如用于连接金属层或金属薄膜，尤其也用于使铜层或铜薄膜与陶瓷材料连接的活性钎焊法理解为也专门用于制造金属-陶瓷-衬底的方法：在大约650℃至1000℃之间的温度中利用硬焊剂建立金属薄膜例如铜薄膜和陶瓷衬底例如氮化铝陶瓷之间的连接，所述硬焊剂除了诸如铜、银和/或金的主要成分外还包含活性金属。该活性金属通过化学反应建立在焊剂和陶瓷之间的连接，而在焊接和金属之间的连接时金属的硬钎焊连接，其中所述活性金属例如是Hf、Ti、Zr、Nb、Ce组中的至少一个元素。
尤其提出，在载体衬底制造的过程中连接或接合冷却结构。由此在直至进入到载体衬底的由硬钎焊或DCB法影响的区域中的界面区域中提高温度稳定性。结果是，载体衬底也能够用于由半导体材料如SiC或者GaN构成的、能够在高于200℃的温度中运行器件，或者在接下来的用于制造模块的构造和连接工艺中关于工艺温度不存在直至例如400℃的限制。
根据本发明的另一实施方式，载体衬底虚拟地被分解为初级衬底、次级衬底和优选被分解为位于初级衬底和次级衬底之间的虚拟的中间层d15.2。初级衬底由层d12、d10和d15.1形成，而次级衬底由层d15.3、d20和d30形成。在确定尺寸时，力求在初级衬底和次级衬底之间的热机械方面的对称，也就是说，这两个衬底的热膨胀系数(CTE)优选应当是相同的或者至少是近似的，例如在+/-20％，或者优选+/-10％，尤其优选+/-5％的公差内一致。这对于降低可能的热机械应力和由此引起的完全弯曲效应是必要的。分层的复合材料的所产生的热膨胀系数CTE’近似如下计算：
在这种情况下，对于本领域技术人员而言，尤其将近似理解为：所确定的热膨胀系数与实际的热膨胀系数的偏差直至2％至4％。
在这种情况下认为：相应的子衬底不完全或者仅无关紧要地弯曲。除了相应的膨胀系数CTEi，在此也分别探讨弹性模量Ei以及层厚度di。通过如下方式避免可能的弯曲：两侧的金属化部在热机械方面是相同的或者近似的，这表示：例如在整面的金属化部中这两个金属层是同样厚或者至少近似厚的。由此得出：优选d15.1＝d12并且d15.3＝d30E，其中d30E是冷却器层的有效的层厚度，其中考虑冷却结构的可能的结构化。
对于初级衬底而言由此适用的是：
并且对于次级衬底而言适用的是：
其中d30E是冷却结构30的在热机械方面有效地起作用的厚度。厚度d30E与冷却结构30的结构化相关，对于其而言下述是适用的：
d30.1≤d30E≤d30
如果在确定载体衬底的各个部件或层的尺寸时无法有意义地设定完全的热机械方面的对称(CTE10'＝CTE20')，那么预测有与温度相关的弯曲。所描述的方法途径主要用于在热机械方面以实现尽可能平坦的载体衬底的目的来优化层构造。
对中间层15的选择从而对所产生的虚拟的中间层的厚度d15.2的选择，与必要的热质量相关，所述热质量决定性地限定载体衬底1的时间上的特性。对于热质量而言重要的层或层厚度是带状导线d12、中间层d15以及冷却结构30的基本厚度d30.1。热缓冲层的厚度由此通过dCu_th＝d12+d15+d30.1来限定。热缓冲层的厚度dCu_th在1mm和10mm中间，优选在1.1mm和5mm之间，尤其优选在1.2mm和3mm之间。
最佳的弯曲h在大多应用情况下为零。弯曲h的量值小于200μm，优选小于100μm并且尤其优选小于50μm。
将所有上述所作的说明理解为是近似的，因为能够不考虑尤其带状导线d12的以及冷却结构30的相应的结构化以及在部件的棱边处的不同地起作用的边缘效应。上述模型基于材料的纯弹性特性。塑性变形的影响在起次要作用。
根据本发明的另一实施方式提出，在确定热膨胀系数CTE时一起考虑横向收缩特性。尤其提出，热膨胀系数根据横向收缩数ν或νi来确定，优选根据如下确定：
由此可更精确地确定热膨胀系数。
附图说明
其它优点和特征从接下来参照附图对根据本发明的主题的优选的实施方式的描述中得出。附图示出：
图1示出用于根据本发明的第一示例性的实施方式的电器件的载体衬底，
图2示出用于根据本发明的第二示例性的实施方式的电器件的载体衬底，
图3示出用于根据本发明的第三示例性的实施方式的电器件的载体衬底，
图4示出用于根据本发明的第四示例性的实施方式的电器件的载体衬底，
图5示出在弯曲状态中图4中的载体衬底，
图6示出用于根据本发明的第五实施方式的载体衬底的冷却结构。
具体实施方式
在图1中示意性地示出用于根据本发明的第一示例性的实施方式的电器件13的载体衬底1的剖视图。在这种情况下，其优选是针对特殊应用而言有利的含陶瓷的载体衬底1。特别地，载体衬底1具有器件侧4，在所述器件侧上设有用于电器件13或模块的彼此电绝缘的金属的带状导线12，例如由铜或铝构成。通过将电器件13连到金属的带状导线12上和带状导线12的连接，可实现电开关电路，借助于所述电开关电路可操控电器件13。为了抵抗在运行时出现的并且源于电器件13的放热，尤其局部地出现在具有电器件13的区域中的放热，在与器件侧4相对置的冷却侧5上设有集成到载体衬底1中的冷却结构30。特别地，冷却结构30是金属的针结构或管脚结构，流体，优选冷却液体，在运行时沿着所述针结构或管脚结构流过，由此能够以有利的方式将从冷却结构30释放给流体的热量连续地运走。
为了在器件侧4上提供在各个带状导线12之间的电绝缘，在器件侧4上设有由陶瓷制成的初级层10。在这种情况下，初级层10板状地设计。为了构成足够的稳定性或强度，在初级层10旁边设有次级层20。在这种情况下提出，制成初级层10和次级层20的材料的弹性模量或E模量大于制成带状导线的材料的弹性模量或E模量。为了抵抗在温度改变时出现的并且使载体衬底1拱起的双金属效应，此外优选提出，载体衬底1在热力学方面相对于金属的中间层15镜像对称或者基本上热机械地镜像对称地设计，所述金属的中间层15设置在初级层10和次级层20之间。
载体衬底1例如关于其层序列，即关于层的数量和类型，关于相应的层厚度和/或关于针对所述层使用的材料，镜像对称地设计，或者各个层在这方面彼此匹配。特别地，次级层20由如下材料制成，所述材料的膨胀系数优选相应于制成初级层10的材料的膨胀系数。在此可设想的是，次级层20由陶瓷、钼、钨或基于WCu或MoCu的复合材料制成。在所示出的实施例中，次级层20由陶瓷制成。也可设想的是，初级衬底10’和次级衬底20’的膨胀系数在确定的公差范围之内一致。优选地，初级衬底10’和次级衬底20’的膨胀系数彼此偏差小于+/-20％，优选小于+/-10％。通过在针对初级衬底10’和次级衬底20’的膨胀系数方面相应地选择材料，由于具有初级衬底10’和次级衬底20’的载体衬底1的设计方案，不仅可以有利的方式增大载体衬底1的强度，而且除此之外还抵抗可能产生的热应力，所述热应力在制造载体衬底1时或者在其常规运行时出现。
为了改进从器件侧4至冷却侧5的热传导，此外提出，在初级层10和次级层20之间设置有多层的或者单层的金属的中间层15。在此，金属的中间层15比初级层10和/或次级层20更厚，尤其比由初级层厚度和次级层厚度的总和更厚。优选地，中间层15大于由初级层10和次级层20合计的层厚度的两倍，优选大于其三倍或者尤其优选大于其五倍。由此，以中间层15的形式构成热质量。
作用为热质量的金属的中间层15在初级层10和次级层20之间的设置由于如下原因证实是有利的：中间层15用作为中间存储器，所述中间存储器尤其在接通和/或过载情形中证实为是尤其有利的。由此，能够经由中间层15的热容量截取较高的短时尖峰功率并且在连到冷却侧上的换热器或热沉失效时增大如下时间段，在所述时间段中能够对失效做出反应，而不造成载体衬底的永久损坏。此外，次级层20提供足够的稳定性，所述稳定性允许，降低初级层10的层厚度。这由于初级层10紧靠位于载体衬底1上的产生热量的器件13而尤其有利地对热阻起作用。此外，从器件侧4上的局部的热源放出的热量更大面积地分布在中间层15中，因为中间层15的厚度允许热量在相对大的距离上充分扩散或者无定向地传播，这同样有利地对热阻起作用。此外，中间层15的相对大的厚度由于如下原因证实是有利的：所述中间层进一步提高载体衬底1的强度从而抵抗完全弯曲，所述完全弯曲由不同的膨胀系数以及外应力和外力引起，所述外应力和外力例如由冷却液体作用到衬底上的压力引起。
为了降低在运行时在载体衬底1处出现的寄生的感应效应，此外优选提出，金属的中间层15用作为其它带状导线。在此，在初级层10中设有覆镀通孔11，即通道，经由所述覆镀通孔，金属的中间层15能够被加载电流，或者经由所述覆镀通孔，实现在金属的中间层10和位于初级层10上的金属的端子元件之间的导电连接。为了保证充分的电绝缘，在具有覆镀通孔11的载体衬底1中，次级层20，尤其电绝缘层，例如是另一陶瓷层。在图1中所示出的实施方式中，设有安装在器件侧上，即在初级侧上的接触元件，经由所述接触元件金属的中间层15能够被加载电压。
在所示出的实施方式中提出，中间层厚度b在初级层厚度a1和/或次级层厚度a2的1.1倍和10倍之间，优选在1.2倍和5倍之间，尤其优选在1.3倍和3倍之间，或者甚至基本上是其1.5倍。中间层厚度b的值例如在1mm和10mm之间，优选在1mm和5mm之间，尤其优选在1.5mm和5mm之间，或者甚至为基本上1.5mm。其它与其不同的，尤其更大的中间层厚度同样是可行的。
替选地提出，中间层厚度b在初级层厚度a1和/或次级层厚度a2的2.5倍和100倍之间，优选在3.5倍和50倍之间，尤其优选在10倍和25倍之间，或者甚至基本上是其2倍。中间层厚度b的值例如在1mm和10mm之间，优选在1mm和5mm之间，尤其优选在1.5mm和5mm之间，或者甚至为基本上3mm。
此外优选地提出，初级层厚度a1基本上相应于次级层厚度a2。替选地可设想，次级层厚度a2基本上是初级层厚度a1的1.5倍至5倍厚，优选1.3倍至2.5倍厚，并且尤其优选1.1倍至2倍厚。此外，厚度比能够设计为，使得a2＝0.5-2.0a1，优选a2＝0.7-1.6a1，尤其优选a2＝0.8-1.2a1。
换言之：厚度比能够设计为，使得a2＝0.5a1至2.0a1，优选a2＝0.7a1至1.6a1，尤其优选a2＝0.8a1至1.2a1。
此外提出，冷却结构30具有基本体区域B1和接片区域S1。接片区域S1优选通过垂直于基本体区域B1突出的接片或翅片形成，而基本体区域B1尤其形成实心区域或未结构化的体部。优选地，基本体区域B1和接片区域S1一件式地构成。在此，接片区域厚度SD与基本体厚度BD的比具有在1.2至6之间的值，优选在1.4和3之间的值并且尤其优选在1.6和2.5之间的值。此外提出，冷却结构厚度KD，尤其有效的冷却结构厚度d30E，是中间层厚度b的0.03倍至1倍，优选0.1倍至0.5倍并且尤其优选0.15倍至0.3倍。
在图2中示意性地在剖视图中示出用于根据本发明的第二示例性的实施方式的电器件13的载体衬底1。在此，载体衬底1基本上与图1中的载体衬底一致。相对于图1中的实施方式，在这种情况下，接触元件16设置在中间层15上。该接触元件16允许直接接触中间元件15，以便给该中间元件加载电压以降低在载体衬底1处的寄生的感应效应从而引起中间层15中的电流。此外提出，载体衬底1由位于器件侧4上的壳体部件40围绕。特别地，在这种情况下其是铸造的壳体部件40。为了接触初级层10上的带状导线12，同样设有接触元件16。为了给初级层10上的带状导线12和中间层15加载电压，提出，中间层15的接触元件16和初级层10的上侧引导穿过壳体部件40。在这种情况下，接触元件16优选在壳体部件壁部的同一侧上从壳体部件40中伸出。
在所示出的实施方式中，为了形成流体通道32，在所述流体通道中在运行时例如沿着流动方向运输冷却液体，载体衬底1包括壳元件50，尤其含塑料的壳元件50，所述壳元件优选与冷却结构30夹紧。为了密封在冷却结构30和壳元件50之间的连接，设有密封元件31，所述密封元件装入壳元件50中的相应的留空部中。冷却结构30的设置在载体衬底1的冷却侧5上的针或管脚在此伸入在运行时通过冷却液体填充的流体通道32中。
在图3中示意性地在剖视图中示出用于根据本发明的第三示例性的实施方式的电器件13的载体衬底1。在这种情况下，载体衬底1基本上与图2中的载体衬底一致。除了图2中的载体衬底1的特征外，在此提出，所铸造的壳体部件40朝向冷却侧5与冷却结构30齐平。这允许以有利的方式将载体衬底1简单地插到或固定到冷却结构上，例如插到或固定到壳元件50上。由此可尤其灵活地使用载体衬底1。为此尤其提出，冷却结构30在一个或多个边缘区域中具有底切部或凹进部，以便冷却结构30沿着垂直于初级层10伸展的方向形状匹配地与壳体部件40共同作用。
在图4中示出用于根据本发明的第四示例性的实施方式的电器件的载体衬底。关于初级层、次级层和金属的中间层的尺寸确定，在这种情况下提出，载体衬底1虚拟地分解为初级衬底10’、次级衬底20并且优选分解为位于其间的虚拟的中间层15’。初次衬底10’由层d12、d10和d15.1形成，而次级衬底由层d15.3、d20和d30形成。在确定尺寸时力求实现在初级衬底和次级衬底之间的热机械对称，也就是说，初级衬底10’和次级衬底20’的热膨胀系数(CTE)优选应当是相同的或者至少近似的，例如在+/-20或优选+/-10％的公差内一致。这对于降低可能的热机械应力和由此产生的完全弯曲效应是需要的。被覆层的复合材料的所产生的热膨胀系数CTE’近似如下计算：
在这种情况下认为：相应的子衬底不弯曲或者仅无关紧要地弯曲。这种可能的弯曲通过如下方式避免：两侧的金属化部在热机械方面是相同或近似的，这表示：例如在整面的金属化部中这两个金属层是相同或至少近似厚的。由此得出：优选d15.1＝d12并且d15.3＝d30E。
由此对于初级衬底适用的是：
并且对于次级衬底适用的是：
其中d30E是冷却结构30的热机械方面有效起作用的厚度。厚度d30E与冷却结构30的结构化相关，对于其而言下述是适用的：
d30.1≤d30E≤d30
如果在确定载体衬底1的各个部件或层的尺寸时无法有意义地设定完全的热机械对称(CTE10’＝CTE20’)，那么预料到与温度相关的弯曲。所描述的方法途径主要用于在热机械方面以实现尽可能平坦的载体衬底1的目的来优化层构造。
对中间层15的选择从而所产生的虚拟的中间层即中间衬底15’的厚度d15.2，与必要的热质量相关，所述热质量决定性地限定载体衬底1的时间上的特性。对于热质量而言重要的层或层厚度是带状导线的厚度d12、中间层的厚度d15以及冷却结构30的基本厚度d30.1。热缓冲层的厚度由此通过dCu_th＝d12+d15+d30.1来限定。热缓冲层的厚度dCu_th在1mm和10mm中间，优选在1.1mm和5mm之间，尤其优选在1.2mm和3mm之间。最佳的弯曲h在大多应用情况下为零。弯曲h的量值小于200μm，优选小于100μm并且尤其优选小于50μm。将所有上述所作的说明理解为是近似的，因为能够不考虑尤其带状导线d12的以及冷却结构30的相应的结构化以及在部件的棱边处的不同作用的边缘效应。上述模型基于材料的纯弹性特性。塑性变形的影响在此起次要作用。
在图5中示出用于根据本发明的第四示例性的实施方式的电器件13的载体衬底1。在此，载体衬底1在弯曲状态中示出，其中载体衬底1具有弯曲h。
在图6中的是用于根据本发明的第五实施方式的载体衬底1的冷却结构30。在这种情况下提出，凹部8设置在设计为冷却结构30的金属层的朝向次级层20和/或初级层10的一侧上。尤其提出，凹部8沿着平行于主延伸平面伸展的方向相对于初级层10和/或次级层20错开地设置，其中冷却结构30相对于初级层10和/或次级层20突出。尤其提出，凹部设计为应变接合部，以便避免冷却结构30的热膨胀引起在整个载体衬底1中的机械应力。
附图标记列表
1 载体衬底
4 器件侧
5 冷却侧
8 凹部
10 初级侧
10’ 初级衬底
11 覆镀通孔
12 带状导线
13 电器件
16 接触元件
15 中间层
15’ 中间衬底
20 次级层
20’ 次级衬底
30 冷却结构
31 密封元件
32 流体通道
40 壳体部件
50 壳元件
a1 初级层厚度
a2 次级层厚度
KD 冷却结构厚度
BD 基本体厚度
SD 接片区域厚度
B 中间层厚度
h 弯曲
d12、d10和d15.1 关于初级衬底的层厚度份额
d15.3、d20和d30 关于次级衬底的层厚度份额
d15.2 中间衬底的层厚度
d30E 冷却结构的有效的层厚度
d30.1、d30.2 关于冷却结构的层厚度份额

Claims (26)

1.一种用于电器件(13)的载体衬底(1)，所述载体衬底(1)具有器件侧(4)和与所述器件侧(4)相对置的冷却侧(5)，所述器件侧具有带状导线，所述冷却侧具有冷却结构(30)，所述载体衬底(1)为了进行电绝缘包括朝向所述器件侧(4)并且由陶瓷制成的初级层(10)并且为了加固所述载体衬底(1)包括朝向所述冷却侧(5)的次级层(20)，为了进行从所述器件侧(4)至所述冷却侧(5)的热传导，在所述初级层(10)和所述次级层(20)之间设置有金属的中间层(15)，金属的中间层(15)比所述初级层(10)和所述次级层(20)都厚，其特征在于，所述中间层(15)厚于1mm，其中所述载体衬底(1)具有包套所述载体衬底(1)的器件侧(4)的壳体部件(40)，所述带状导线(12)具有第一接触元件，用于形成延伸穿过并伸出所述壳体部件(40)的带状导线，并且所述中间层(15)具有第二接触元件，用于形成延伸穿过并伸出所述壳体部件(40)的另一带状导线，其中通过延伸穿过并伸出所述壳体部件的带状导线和另一带状导线给所述初级层上的带状导线和所述中间层加载电压，以经由所述另一带状导线引导用于操控各个器件的电流，并且其中所述冷却结构(30)的有效冷却结构厚度是所述金属的中间层的厚度(b)的0.03倍至1倍。
2.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)的厚度为所述初级层和/或所述次级层的2.5倍和100倍之间。
3.根据权利要求2所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)的厚度为所述初级层和/或所述次级层的3.5倍和50倍之间。
4.根据权利要求3所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)的厚度为所述初级层和/或所述次级层的10倍和25倍之间。
5.根据权利要求4所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)的厚度为所述初级层和/或所述次级层的20倍。
6.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)的厚度在1mm和10mm之间。
7.根据权利要求6所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)的厚度在1mm和5mm之间。
8.根据权利要求7所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)的厚度在1.2mm和3mm之间。
9.根据权利要求8所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)的厚度为3mm。
10.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)厚于1.4mm。
11.根据权利要求10所述的载体衬底(1)，其中所述中间层(15)厚于1.9mm。
12.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中所述冷却结构(30)具有基本体区域(B1)和接片区域(S1)，其中接片区域厚度(SD)与基本体区域厚度(BD)的比(SD/BD)具有在1.2至6之间的值。
13.根据上述权利要求12所述的载体衬底(1)，其中接片区域厚度(SD)与基本体区域厚度(BD)的比(SD/BD)具有在1.4和3之间的值。
14.根据上述权利要求13所述的载体衬底(1)，其中接片区域厚度(SD)与基本体区域厚度(BD)的比(SD/BD)具有在1.6和2.5之间的值。
15.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中所述冷却结构的有效冷却结构厚度为金属的中间层的厚度(b)的0.1倍至0.5倍。
16.根据权利要求15所述的载体衬底(1)，其中所述冷却结构的有效冷却结构厚度为金属的中间层的厚度(b)的0.15倍至0.3倍。
17.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中所述金属的中间层(15)单层地构造。
18.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中作为所述载体衬底(1)在所述冷却侧(5)上的终止部，设置用于流体冷却的冷却结构(30)直接邻接于所述次级层(20)。
19.根据权利要求18所述的载体衬底(1)，其中所述冷却结构(30)是肋结构、针结构和/或凸起结构。
20.根据权利要求18或19所述的载体衬底(1)，其中所述冷却结构(30)为了防腐蚀用防腐蚀层覆层。
21.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中所述初级层(10)具有覆镀通孔(11)。
22.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中所述次级层(20)由陶瓷和/或钼制成。
23.根据权利要求21所述的载体衬底(1)，其中所述金属的中间层(15)、所述带状导线(12)、所述第二接触元件、金属的端子元件和/或所述冷却结构(30)为了提高耐温度交变性在朝向所述初级层或者朝向所述次级层的侧上具有刻蚀的结构。
24.根据权利要求1所述的载体衬底(1)，其中所述壳体部件(40)构造为铸造件。
25.根据权利要求24所述的载体衬底(1)，其中所述壳体部件(40)与设置在所述冷却侧(5)上的冷却结构(30)齐平。
26.一种用于制造根据权利要求1至25中任一项所述的载体衬底(1)的方法。
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