CN112788917B - 电子装置的制造方法以及该电子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有板状铝制主体和至少一个电力电子单元的电子装置及其制造方法。电力电子单元包括具有第一接触侧和第二接触侧的基板和至少一个电子元件。至少第一接触侧涂覆有铜涂层。电子元件被焊接或烧结在位于第一接触侧上的铜涂层上。陶瓷板以及电力电子单元在第二接触侧上以材料配合且热传递的方式与铝制主体的主表面连接。该方法包括以下顺序的下列步骤：对用于电力电子单元的主表面的接合区域进行预处理；利用烧结膏涂覆接合区域，所述烧结膏具有直径尤其是在纳米至微米范围内的铜粒子和/或银粒子；在接合区域中，利用基板的第二接触侧将电力电子单元定位的主表面上；通过热量供应将电力电子单元和铝制主体接合在接合区域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子装置的制造方法以及该电子装置。
背景技术
电子元件的冷却很重要，尤其是对于车辆的混合动力总成。通常，电子元件被焊接在陶瓷板的一侧上，并且因此而彼此电互连，该陶瓷板在两侧涂覆有铜，即所谓的DCB衬底(DCB：直接铜键合)。然后，焊接有电子元件的陶瓷板能够在另一侧以材料配合且热传递的方式被附接到铜制主体(所谓的散热器)。因此，形成了一种电子装置，其中，在电子元件中产生的热量经由铜制主体传递到外部，并且电子元件因此被冷却。在此，通常通过软焊接工艺或银粉烧结工艺将涂覆有铜的陶瓷板和铜制主体彼此接合。然而，出于成本原因，旨在通过铝制主体来替代铜制主体。然而，不利地，不能通过传统已知的接合技术将涂覆有铜的陶瓷板与铝制主体直接连接。其原因在于铝制主体上稳定的氧化物层，该氧化物层阻止涂覆有铜的陶瓷板的软焊接工艺或使得涂覆有铜的陶瓷板的软焊接工艺变得困难。
已知许多方法来避免这个问题。例如，镍板能够通过CAB焊接工艺(CAB：受控气氛钎焊)与铝制主体连接，并且能够随后将涂覆有铜的陶瓷板焊接在镍板上。不利地，镍的导热系数比铜低，因此对带走废热具有不利影响。此外，镍板与铝制主体的连接需要额外的步骤，具有较高的成本。因此，电子装置的成本被不利地增加。原则上，也可以使用铜板代替镍板。然而，铜和铝的直接接合非常费力，并且需要附加的设备，这同样增加了电子装置的成本。这同样适用于通过热喷涂铜来代替焊接铜板的方法。在此，通过热喷涂将铜施加到铝制主体的单独限定的表面上。通过银粉烧结工艺将涂覆有铜的陶瓷板与铝制主体连接的方法也是已知的。在此，在铝制主体的表面上产生焊接镍板或热喷涂铜的单独限定的表面，然后通过银粉烧结工艺在这些表面中将陶瓷板与铝制主体连接。然而，在此使用了昂贵的部件，其显著增加了电子装置的成本。此外，在此，银粉烧结工艺必须在压力下进行，这也需要附加的设备。
替代地，能够使用所谓的IMS(IMS：绝缘金属衬底)来代替DCB衬底。IMS例如由钢板或铝板形成，并在其一侧施加介电绝缘层。然后，位于金属板上的绝缘层被涂覆有铜，从而能够以类似于DCB衬底的方式来使用IMS。然而，对于IMS还存在以下问题，即在焊接镍板的区域中或热喷涂铜的区域中，只有钢板能够被焊接或烧结到铝制主体上。如果IMS中的金属板由铝形成，则由于上述原因，这是不可能的。
总而言之，到目前为止还没有已知的解决方案能够使用已经存在的设备来实现铝制主体与涂覆有铜的陶瓷板或金属板的廉价且简化的连接。
因此，本发明的目的是为制造通用类型的电子装置的方法指示一种改进的或至少替代的实施例，在该方法中克服了所描述的缺点。本发明的目的还在于提供一种相应的电子装置。
发明内容
根据本发明的方法被提供用于制造电子装置。在此，电子装置包括板状铝制主体和至少一个电力电子单元。所述至少一个电力电子单元包括具有第一接触侧和与所述第一接触侧相反的第二接触侧的基板，以及至少一个电子元件。至少基板的第一接触侧涂覆有铜涂层。在此，电子元件被焊接或烧结在位于基板的第一接触侧上的铜涂层上。基板以及电力电子单元在第二接触侧上以材料配合且热传递的方式与铝制主体的主表面连接。
就本发明而言，术语“板状”应被理解为意味着在竖直方向上所确定的铝制主体的高度远小于其宽度和其长度。因此，铝制主体具有横向于竖直方向延伸的两个主表面，所述两个主表面是彼此间隔开的，并且在竖直方向上是彼此相反的。这也应用于基板，其中所述两个接触侧横向于竖直方向地延伸，并且在竖直方向上相对于彼此是间隔开的。在此，铝制主体(或者所谓的散热器)能够由铝、铝合金或铝塑复合材料形成。铝制主体能够是例如扁平管，该扁平管能够由冷却液流过，从而能够更好地冷却电力电子单元。就本发明而言，术语“材料配合”(在冶金或粘接连接方面)意味着电力电子单元与铝制主体之间的连接是不可拆卸的。特别地，这种连接只能通过破坏连接装置来分离。
基板在第一接触侧上承载有至少一个电子元件，所述至少一个电子元件被焊接或烧结在铜涂层上。有利地，铜涂层能够被构造在基板的第一接触侧上，并且能够具有例如用于各个电子元件的印制导线。应该理解的是，电力电子单元也能够具有几个电子元件，其通过结构化的铜涂层在基板的第一接触侧上彼此电互连。利用第二接触侧(背向至少一个电子元件)，基板以及电力电子单元以材料配合且热传递的方式被固定在铝制主体上。
有利地，第一接触侧上的铜涂层以及电子元件通过基板与铝制主体电绝缘。基板能够是例如优选由Al2O3陶瓷形成的陶瓷板。陶瓷板在此具有介电特性，从而使铜涂层与铝制主体电绝缘。陶瓷板在此能够在第二接触侧上涂覆有另外的铜涂层，其中，然后通过电绝缘的陶瓷板将两个铜涂层彼此分离。然后，具有两个铜涂层的陶瓷板代表所谓的DCB衬底。替代地，基板能够是具有绝缘层的金属板，该绝缘层被面向电子元件地施加到金属板上。然后，金属板优选由钢或铝形成。然后，铜涂层被施加到金属板的绝缘层上。然后，金属板的电绝缘侧代表基板的第一接触侧。铜涂层以及电子元件通过绝缘层与金属板电绝缘，并进而与铝制主体电绝缘。然后，具有绝缘层和铜涂层的金属板代表所谓的IMS。
根据本发明的方法包括几个步骤。首先，对用于相应的电力电子单元的铝制主体的主表面的接合区域进行预处理。在主表面的预处理中，在接合区域中对主表面进行预处理，以为后续接合做准备。因此，例如能够清洁主表面。替代地或附加地，在预处理过程中，能够去除接合区域中存在的氧化物层，从而能够在接合区域中形成新的、薄的并且均匀的氧化物层。在此，接合区域能够在铝制主体的整个主表面上延伸或在铝制主体的主表面的一部分上延伸。有利地，能够规定，接合区域的预处理通过化学蚀刻或者通过机械研磨进行，尤其是通过激光研磨进行。
然后，利用烧结膏对主表面的经过预处理的接合区域进行涂覆。在此，烧结膏包括直径尤其是在纳米至微米范围内的铜粒子和/或银粒子。因此，烧结膏能够仅具有铜粒子，或者仅具有银粒子，或者具有铜粒子和银粒子。除了铜粒子和/或银粒子之外，烧结膏还能够具有有机粘合剂和另外的组分。当烧结膏具有铜粒子时，其能够被如此构成，使得铜粒子(尤其是直径在纳米范围内的铜粒子)在随后的接合过程中仅随着热量供应而出现。换句话说，烧结膏能够包括化合物，该化合物在随后的接合过程中通过热量供应形成或在原位形成尤其是直径在纳米范围内的铜粒子。通常，铜粒子倾向于强烈氧化，这能够对随后的接合造成负面影响。能够通过这种烧结膏有利地避免这个问题。当烧结膏具有银粒子时，其能够被如此构成，使得银粒子(尤其是直径在纳米范围内的银粒子)在随后的连接过程中仅随着热量供应而出现。为了简化描述，以下始终使用术语“具有铜粒子和/或银粒子的烧结膏”，尽管如上所述，铜粒子和/或银粒子也能够仅在原位出现。不论其构成如何，烧结膏都被用作铝制主体与基板的第二接触侧之间的粘合剂。
有利地，利用烧结膏对接合区域进行的涂覆能够通过湿法化学涂覆来进行，尤其能够通过丝网印刷来进行。有利地，在涂覆过程中，能够使用具有直径为10nm至1000μm的铜粒子和/或银粒子的烧结膏。直径在纳米范围内(直径为10nm至1000μm)的铜粒子和/或银粒子的比例能够为0.5质量％至50质量％。有利地，在利用烧结膏对接合区域进行涂覆的过程中，能够将烧结膏直接施加到铝制主体上。因此，省去了镍板或铜板，所述镍板或铜板通常被用作铝制主体与电力电子单元之间的连接装置。因此，能够减少该方法以及该电子装置的成本。
在涂覆之后，在铝制主体的主表面上，在经过涂覆的接合区域中对电力电子单元进行定位。这样做时，利用基板的第二接触侧(基板的背向电子元件的接触侧)将电力电子单元定位在铝制主体上。这样做时，在接合区域中，利用第二接触侧将电力电子单元置于烧结膏上。当基板由陶瓷板形成并且在两侧涂覆有铜涂层时，施加到第二接触侧上的铜涂层随后位于烧结膏上。当基板是在一侧上施加有绝缘层的金属板时，金属板随后直接(利用其材料而不是另外的中间层)位于烧结膏上。优选地，接合区域、所施加的烧结膏和基板在面积和形状方面是彼此对应的。换句话说，主表面的接合区域的、所施加的烧结膏的和基板的第二接触侧的形状和面积以这种方式彼此适应，使得基板能够在整个表面上与铝制主体相接合。
随后，通过热量供应，在接合区域中进行电力电子单元和铝制主体的接合。因此，铝制主体和电力电子单元通过烧结膏以材料配合且热传递的方式连接。在接合时，在烧结膏与电力电子装置之间和烧结膏与铝制主体之间，通过烧结膏的铜粒子和/或银粒子(尤其是直径在纳米范围内的铜粒子和/或银粒子)的特定反应和扩散来实现永久性材料配合的连接。当基板由陶瓷板形成并且该陶瓷板在两侧涂覆有铜涂层时，烧结膏和铜涂层在烧结膏与电力电子单元之间的界面处以材料配合的方式连接。当基板是具有施加到一侧上的绝缘层的金属板时，烧结膏和金属板的材料在烧结膏与电力电子单元之间的界面处以材料配合的方式连接。在此，金属板的材料能够是钢或铝，并且因此烧结膏能够与钢或铝以材料配合的方式连接。在烧结膏与铝制主体之间的界面处，所谓的接缝形成在烧结膏、铝制主体的氧化物层与铝制主体的材料之间。因此，能够在铝制主体与电力电子单元之间实现永久性连接。应该理解的是，烧结膏在连接之前是流体的或糊状的，在连接之后形成固体烧结层，该固体烧结层随后将电力电子单元和铝制主体以材料配合且热传递的方式连接起来。
有利地，电力电子单元和铝制主体的连接能够以无压力或几乎无压力的方式进行。在这种情况下，术语“无压力”意味着，对于连接铝制主体和电力电子单元，不向其施加外部压力(该外部压力通常总计能够高达50MPa)。换句话说，铝制主体和电力电子单元不会额外地相互挤压。因此，能够有利地降低至少一个电子元件和基板在连接时的负荷。有利地，在该方法中，能够在150℃至250℃的温度下进行连接。因此，能够有利地降低至少一个电子元件和基板在连接时的热负荷。
通过根据本发明的方法，能够分别减少所需层或连接装置的数量。在此能够继续使用通过银粉烧结工艺连接铝制主体和电力电子单元的传统设备。
有利地，在预处理过程中，能够同时地或连续地对主表面的几个接合区域进行预处理。然后，在涂覆过程中，能够利用由直径尤其是在纳米至微米范围内的铜粒子和/或银粒子构成的烧结膏对主表面的这几个经过预处理的接合区域进行涂覆。然后，在定位过程中，在相应的经过涂覆的接合区域中，能够利用基板的相应的第二接触侧使几个电力电子单元定位在铝制主体的主表面上。随后，在连接过程中，相应的几个电力电子单元和铝制主体能够以材料配合且热传递的方式彼此连接。以这种有利的方式，能够制造一种电子装置，其中几个电力电子单元被以材料配合且热传递的方式固定在主表面上。因此，这些电力电子单元的几个电子元件能够由同一铝制主体冷却。
可以设想到的是，铝制主体还能够在两侧上(在其相反的主表面上)以材料配合且热传递的方式分别与至少一个电力电子单元连接。还可以设想到的是，铝制主体还能够在两侧上以材料配合且热传递的方式分别与几个电力电子单元连接。此外，可以设想到的是，相应的电力电子单元具有彼此电互连的几个电子元件。
本发明还涉及一种具有板状铝制主体和至少一个电力电子单元的电子装置。所述至少一个电力电子单元包括具有第一接触侧和与所述第一接触侧相反的第二接触侧的基板，以及至少一个电子元件。至少第一接触侧涂覆有铜涂层。然后，电子元件被焊接或烧结在位于基板的第一接触侧上的铜涂层上。陶瓷板以及电力电子单元在第二接触侧上以材料配合且热传递的方式与铝制主体的主表面连接。根据本发明，该电子装置由上述方法制造。
有利地，第一接触侧上的铜涂层以及电子元件通过基板与铝制主体电绝缘。基板能够是例如优选由Al2O3陶瓷形成的陶瓷板。陶瓷板在此具有介电特性，使得铜涂层与铝制主体电绝缘。陶瓷板在此能够在第二接触侧上涂覆另外的铜涂层，其中，然后通过电绝缘的陶瓷板将两个铜涂层彼此分离。然后，具有两个铜涂层的陶瓷板构成所谓的DCB衬底。替代地，基板能够是具有绝缘层的金属板，该绝缘层被面向电子元件地施加到金属板上。然后，金属板优选由钢或铝形成。然后，将铜涂层施加到金属板的绝缘层上，并且然后将至少一个电子元件焊接或烧结在其上。然后，金属板的电绝缘侧代表基板的第一接触侧。铜涂层以及电子元件通过绝缘层与金属板和铝制主体电绝缘。然后，具有绝缘层和铜涂层的金属板代表所谓的IMS。为了避免重复，在这一点上请参考以上对于电子装置的描述。
本发明的另外的重要特征和优点将从附图和借助于附图的相关附图说明中得出。
应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，以上提到的以及以下将进一步解释的特征不仅能够被用于分别示出的组合，也能够被用于其他组合或单独使用。
附图说明
本发明的优选示例实施例在附图中示出，并且在下面的描述中进一步解释，其中，相同的附图标记是指相同或相似或功能相同的部件。
分别示意性地，
图1示出了根据本发明的电子装置的剖面图，该电子装置是以根据本发明的方法制造的；
图2示出了根据本发明的替代电子装置的剖面图，该替代电子装置是以根据本发明的方法制造的。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电子装置1，该电子装置是以根据本发明的方法制造的。电子装置1具有板状铝制主体2和电力电子单元3。铝制主体2具有彼此相反的两个主表面2a和2b。铝制主体2能够由冷却液流过，从而能够对电力电子单元3进行强烈地冷却。电力电子单元3在此包括基板4，该基板在两侧涂覆有铜。换句话说，基板4在两侧分别具有铜涂层5a和5b。在此，基板4是陶瓷板10a。在两侧涂覆有铜的陶瓷板10a构成所谓的DCB衬底。电子元件6被焊接或烧结在位于基板4的接触侧4a上的铜涂层5a上，从而彼此电互连。有利地，铜涂层5a是结构化的，并且具有例如用于各个电子元件6的印制导线。另一方面，铜涂层5b能够被施加到基板4的整个表面上。在此，接触侧4a被布置为背向铝制主体2，并且背向其主表面2a。具有电子元件6的涂覆有铜的基板4形成电力电子单元3。利用铝制主体2的主表面2a，该电力电子单元经由烧结膏7构成的烧结层7a被以材料配合且热传递的方式连接在基板4的接触侧4b上，因此现在形成电子装置1，该烧结膏由铜粒子和/或银粒子构成，并且在接合时被活化并固化。在此，电力电子单元3被固定在位于主表面2a上的接合区域8中。
有利地，在实施根据本发明的方法之前，基板4在两侧涂覆有铜涂层5a和5b。有利地，在根据本发明的方法之前，电子元件6也被焊接或烧结在位于基板4的第一接触侧4a上的铜涂层5a上。换句话说，电力电子单元3是在实施根据本发明的方法之前被制造的，并且如果适用则测试其功能。铝制主体2也在实施根据本发明的方法之前被有利地制造。在根据本发明的方法中，然后首先对用于电力电子单元3的铝制主体2的主表面2a的接合区域8进行预处理。之后，利用烧结膏7对主表面2a的经过预处理的接合区域8进行涂覆，并且在经过涂覆的接合区域8中，利用位于基板4的接触侧4a上的铜涂层5b将电力电子单元3定位在铝制主体2的主表面2a上。因此，基板4分别与位于烧结膏7上的铜涂层5b或涂覆有铜的接触侧4b相接触。随后，通过热量供应并且优选以无压力的方式使电力电子单元3和铝制主体2接合在接合区域8中。在接合时，随后分别产生流体或糊状烧结膏7的固体烧结层7a。通过烧结膏7的特性，随后在接合区域8中进行电力电子单元3和铝制主体2的材料配合且热传递的连接。
图2现在示出了根据本发明的电子装置1，该电子装置是以根据本发明的方法制造的。在此与图1中的电子装置1不同的是，电力电子单元3的基板4被不同地构造。在此，基板4具有金属板10b(例如由铝或钢制成)和电绝缘的绝缘层9，该绝缘层被施加到金属板10b的整个表面上。然后，绝缘层9使铜涂层5a与金属板10b电绝缘。因此，铜涂层5a和电子元件6也与铝制主体电绝缘。在此示出的电子装置1的其他部分对应于图1中的电子装置，并且能够以上述方法制造。
Claims (13)
1.一种用于制造具有板状铝制主体(2)和至少一个电力电子单元(3)的电子装置(1)的方法，
-其中，所述至少一个电力电子单元(3)具有基板(4)以及至少一个电子元件(6)，所述基板具有第一接触侧(4a)和与所述第一接触侧相反的第二接触侧(4b)，
-其中，至少所述基板(4)的第一接触侧(4a)涂覆有铜涂层(5a)，
-其中，将位于所述基板(4)的第一接触侧(4a)上的电子元件(6)焊接或烧结在所述铜涂层(5a)上，并且
-其中，利用所述第二接触侧(4b)，以材料配合且热传递的方式将所述基板(4)以及由此的所述电力电子单元(3)连接至所述铝制主体(2)的主表面(2a)，
包括以下顺序的下列步骤：
-对用于所述相应的电力电子单元(3)的铝制主体(2)主表面(2a)的接合区域(8)进行预处理，
-利用烧结膏(7)涂覆所述主表面(2a)的经过预处理的接合区域(8)，
所述烧结膏具有直径在纳米至微米范围内的铜粒子和/或银粒子，
-在经涂覆的接合区域(8)中，利用所述基板(4)的第二接触侧(4b)将所述电力电子单元(3)定位在铝制主体(2)的主表面(2a)上，
-通过热量供应将所述电力电子单元(3)和铝制主体(2)接合在所述接合区域(8)中，其中，所述铝制主体(2)和电力电子单元(3)通过所述烧结膏(7)以材料配合且热传递的方式连接，并且其中，以无压力的方式对所述电力电子单元(3)和铝制主体(2)进行接合。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述接合区域(8)的预处理通过化学蚀刻或者通过机械研磨进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
所述接合在150℃至250℃的温度下进行。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
利用所述烧结膏(7)对所述接合区域(8)进行的涂覆是通过湿法化学涂覆来进行的。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在利用烧结膏(7)对所述接合区域(8)进行涂覆的过程中，将所述烧结膏直接施加到所述铝制主体(2)上。
6.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
在涂覆过程中，所使用的所述烧结膏(7)具有直径为10nm至1000μm的铜粒子和/或银粒子。
7.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-在预处理过程中，同时地或连续地对所述主表面(2a)的几个接合区域(8)进行预处理，
-在涂覆过程中，利用烧结膏(7)对所述主表面(2a)的这几个经过预处理的接合区域(8)进行涂覆，所述烧结膏由直径在纳米至微米范围内的铜粒子和/或银粒子构成，
-在定位过程中，在相应的经过涂覆的接合区域(8)中，利用所述基板(4)的相应第二接触侧(4b)将几个电力电子单元(3)定位在所述铝制主体(2)的主表面(2a)上，
-在接合过程中，通过热量供应，所述相应的几个电力电子单元(3)和铝制主体(2)在所述相应的接合区域(8)中通过所述烧结膏(7)以材料配合且热传递的方式彼此连接。
8.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述接合区域(8)的预处理通过激光研磨进行。
9.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
利用所述烧结膏(7)对所述接合区域(8)进行的涂覆是通过丝网印刷来进行的。
10.一种具有板状铝制主体(2)和至少一个电力电子单元(3)的电子装置(1)，
-其中，所述至少一个电力电子单元(3)包括基板(4)以及至少一个电子元件(6)，所述基板具有第一接触侧(4a)和与所述第一接触侧相反的第二接触侧(4b)，
-其中，至少所述基板(4)的第一接触侧(4a)涂覆有铜涂层(5a)，
-其中，将位于所述基板(4)的第一接触侧(4a)上的电子元件(6)焊接或烧结在所述铜涂层(5a)上，并且
-其中，在所述第二接触侧(4b)上，以材料配合且热传递的方式将所述基板(4)以及由此的电力电子单元(3)连接至所述铝制主体(2)的主表面(2a)，
其特征在于，
所述电子装置(1)由根据权利要求1至9之一所述的方法制造。
11.根据权利要求10所述的电子装置(1)，
其特征在于，
-所述基板(4)是陶瓷板(10a)，使得所述第一接触侧(4a)上的铜涂层(5a)通过所述陶瓷板(10a)与所述铝制主体(2)电绝缘，或者-所述基板(4)是金属板(10b)，所述金属板具有面向所述铜涂层(5a)的介电绝缘层(9a)，使得所述第一接触侧(4a)上的铜涂层(5a)通过所述绝缘层(9a)与所述金属板(10b)和铝制主体(2)电绝缘。
12.根据权利要求11所述的电子装置(1)，
其特征在于，
所述陶瓷板(10a)由Al2O3陶瓷制成。
13.根据权利要求11所述的电子装置(1)，
其特征在于，
所述金属板(10b)由钢或铝制成。
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