DE102004021810A1 - Elektronisches Bauelement sowie Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelementes - Google Patents

Elektronisches Bauelement sowie Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelementes Download PDF

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Abstract

Bei einem elektronischen Bauelement (1) ist zur Erzielung einer stoffschlüssigen Verbindung mit einer verbesserten Dauerfestigkeit zwischen einem metallischen Kühlkörper (2) und einem elektrisch isolierenden Substrat (4) vorgesehen, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Kühlkörper (2) und einer elektrisch leitfähigen Schicht (6) an einer zweiten Seite des Substrates (4) eine dünne Schicht von Lotmaterial (7) und einen Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) umfasst, der von dem Metall (8) des Kühlkörpers (2) durchsetzt ist und die stoffschlüssige Verbindung eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Anpassung der Wärmeausdehnung der Komponenten der stoffschlüssigen Verbindung ist möglich.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelementes nach Anspruch 15.
  • Ein elektronisches Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist durch offenkundige Vorbenutzung bekannt. Dort ist ein elektrisch isolierendes Substrat auf einer ersten Seite mit einer elektronischen Schaltung und auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite mit einer elektrisch leitfähigen Schicht versehen. An die elektrisch leitfähige Schicht der zweiten Seite des Substrates ist flächig ein metallischer Kühlkörper angebracht. Der metallische Kühlkörper und die elektrisch leitfähige Schicht an der zweiten Seite des Substrates sind durch Weichlötung fest miteinander verbunden.
  • Derartige elektronische Bauelemente weisen den Nachteil auf, dass es aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials, beispielsweise Aluminiumnitrid oder Aluminiumoxid, und des Kühlkörpermaterials zu einer starken mechanischen Beanspruchung der Lötverbindung aus Weichlot und in Folge dessen zu einem Versagen der Lötverbindung aufgrund der begrenzten mechanischen Belastbarkeit kommt. Die Lötverbindung aus Weichlot begünstigt zudem aufgrund ihrer im Vergleich zu Kupfer relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit thermisch bedingte Spannungen.
    •
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine stoffschlüssige Verbindung zwischen einem metallischen Kühlkörper und einer elektrisch leitfähigen Schicht eines Substrates herzustellen, welche bei ei nem elektronischen Bauelement der eingangs genannten Art eine erhöhte Dauerhaltbarkeit bei gleichzeitig großer Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein elektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruches 1.
  • Der erfindungsgemäße Körper aus Metallschaum oder Metallfilz gewährleistet eine im Vergleich zum Stand der Technik einfachere stoffschlüssige Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht des Substrates und dem metallischen Kühlkörper. Dadurch, dass der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz von dem Metall des Kühlkörpers durchsetzt ist, ergibt sich eine gute Wärmeleitfähigkeit der stoffschlüssigen Verbindung, so dass weniger thermisch bedingte Spannungen entstehen. Das erfindungsgemäße elektronische Bauelement bildet die Grundlage für weitere vorteilhafte Ausführungsformen. Eine Anpassung der Wärmeausdehnung der Komponenten der stoffschlüssigen Verbindung ist möglich.
  • Ein poröser Körper nach Anspruch 2 bietet die Möglichkeit, Parameterunterschiede zwischen dem metallischen Kühlkörper und dem elektrisch isolierenden Substrat einander anzupassen.
  • Die Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt nach Anspruch 3 durch die Verwendung eines geeigneten Materials für den porösen Körper.
  • Die Durchsetzung des Körpers aus Metallschaum oder Metallfilz mit einem Anpassungsmaterial nach Anspruch 4 führt zu einer mechanischen Entlastung der Lötverbindung zwischen dem Körper aus Metallschaum oder Me tallfilz und der elektrisch leitfähigen Schicht des Substrates und somit zu einer erhöhten Dauerhaltbarkeit des elektronischen Bauelementes.
  • Das Ziel der Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem metallischen Kühlkörper und dem Substrat wird nach Anspruch 5 durch ein geeignetes Konzentrationsverhältnis zwischen dem Anpassungsmaterial und dem Material des Kühlkörpers erreicht. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des porösen Körpers und/oder des Körpers aus Metallschaum oder Metallfilz in Abhängigkeit von diesem Konzentrationsverhältnis errechnet sich nach der Formel αGesamt = x·αKühlkörper + (1 – X)·αSubstrat, wobei αGesamt der thermische Ausdehnungskoeffizient des porösen Körpers und/oder des Körpers aus Metallschaum oder Metallfilz, αKühlkörper der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kühlkörpers, αSubstrat der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrates und x der Gehalt des Kühlkörpermetalls im porösen Körper und/oder im Körper aus Metallschaum oder Metallfilz ist.
  • Ein Kühlkörper aus Aluminium, Kupfer, Eisen oder einer Legierung dieser Metalle nach Anspruch 6 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
  • Bei einem elektronischen Bauelement nach Anspruch 7 ist der Kühlkörper kein zusätzliches Bauteil, sondern das ohnehin notwendige Gehäuse eines elektronischen Hochleistungsbauelementes.
  • Ein Substrat aus einer Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Keramik nach Anspruch 8 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
  • Eine elektrisch leitfähige Schicht aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung nach Anspruch 9 weist ebenfalls eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
  • Ein poröser Körper aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid nach Anspruch 10 ermöglicht eine Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers und des Substrates bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 11 ermöglicht ein einfaches Anbringen des porösen Körpers an den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz.
  • Eine Porosität nach Anspruch 12 ermöglicht eine gute Infiltrierbarkeit des porösen Körpers sowie eine gute Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Der mögliche Porositätsbereich für den porösen Körper kann zwischen 45 % und 80 % liegen, wobei eine Porosität von ca. 50 % besonders geeignet ist. Der Porendurchmesser liegt im Bereich zwischen 0,5 μm und 2 mm, wobei besonders geeignet ein Bereich zwischen 4 μm und 10 μm ist.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 13 ermöglicht eine stoffschlüssige Verbindung aus Hartlot mit sehr guten Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Außerdem führt das pulverförmige Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid zu einer Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit.
  • Die stoffschlüssige Verbindung aus Hartlot nach Anspruch 14 weist bei Verwendung einer Kupfer-Silber-Legierung eine hohe mechanische Festigkeit, eine hohe Schmelztemperatur sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelementes anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den im Anspruch 15 und 16 angegebenen Merkmalen.
  • Beim Angießen des metallischen Kühlkörpers in einer Gussform wird der poröse Körper und der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz von dem Metall des Kühlkörpers durchsetzt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kühlkörper und dem Substrat entsteht. Die weiteren Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechen denen, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektronischen Bauelement ausgeführt wurden.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:
  • 1 im Schnitt eine Prinzipdarstellung eines elektronischen Bauelementes, und
  • 2 im Schnitt eine Prinzipdarstellung eines weiteren elektronischen Bauelementes nach 1 mit einem porösen Körper.
  • 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines elektronischen Bauelementes 1 mit einem metallischen Kühlkörper 2 aus Aluminium, der flächig an einen Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 bestehend aus Kupfer angeordnet ist. Ein elektrisch isolierendes Substrat 4 aus einer Aluminiumnitrid-Keramik mit einer elektronischen Schaltung 5 auf einer ersten Seite des Substrates 4 und einer elektrisch leitfähigen Schicht 6 aus Kupfer auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrates 4 ist mit der elektrisch leitfähigen Schicht 6 über eine dünne Schicht von Lotmaterial 7 aus Hartlot flächig mit dem Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 verbunden. Das Hartlot besteht aus einer gut wärmeleitenden Kupfer-Silber-Legierung. Der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 ist von dem Metall 8 des Kühlkörpers 2 durchsetzt und bildet eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Kühlkörper 2 und der elektrisch leitfähigen Schicht 6.
  • Die aufgrund der elektronischen Schaltung 5 im elektronischen Bauelement 1 entstehende Wärme wird über das elektrisch isolierende und gut wärmeleitfähige Substrat 4 in die elektrisch leitfähige Schicht 6 abgeleitet. Aufgrund der Tatsache, dass das verwendete Hartlot ebenfalls eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird die Wärme über den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 in den metallischen Kühlkörper 2 weiter geleitet. Ein den metallischen Kühlkörper 2 umströmendes Medium transportiert die Wärme aus dem metallischen Kühlkörper 2 ab. Dadurch, dass der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 vom Metall 8 des Kühlkörpers 2 durchsetzt ist, besteht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 6 und dem metallischen Kühlkörper 2. Diese stoffschlüssige Verbindung, welche als Lotmaterial 7 ein Hartlot umfasst, weist eine hohe mechanische Festigkeit in Verbindung mit einer guten Wärmeleitfähigkeit auf, so dass thermisch bedingte Spannungen durch eine effiziente Wärmeableitung weitestgehend vermieden werden und die dennoch auftretenden Spannungen aufgrund des Hartlotes zu einer langsameren Ermüdung der Lötverbindung führen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelementes ist in 2 dargestellt. Komponenten, die denjenigen entsprechen, die oben im Zusammenhang mit 1 schon diskutiert wurden, tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals im Einzelnen erläutert.
  • 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles des elektronischen Bauelementes 1 nach 1 mit einem porösen Körper. Zwischen dem metallischen Kühlkörper 2 und dem Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 ist ein poröser Körper 9 aus Aluminiumnitrid angebracht. Der poröse Körper 9 ist ebenso wie der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 von dem Metall 8 des Kühlkörpers 2 durchsetzt. Zusätzlich ist der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 von pulverförmigen Anpassungsmaterial 10 durchsetzt. Das Anpassungsmaterial 10 des Ausführungsbeispiels nach 2 ist pulverförmiges Aluminiumnitrid. Der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 sowie der poröse Körper 9 weisen dabei ein derartiges Konzentrationsverhältnis zwischen dem Anpassungsmaterial 10 und dem Aluminium des Kühlkörpers 2 auf, dass die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Körpers aus Metallschaum oder Metallfilz 3 und des porösen Körpers 9 im Bereich zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrates 4 und des Kühlkörpers 2 liegen.
  • Dadurch, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Körpers aus Metallschaum oder Metallfilz 3 sowie des porösen Körpers 9 zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrates 4 und des Kühlkörpers 2 liegt, kann die Dauerfestigkeit der stoffschlüssigen Verbindung im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach 1 weiter verbessert werden. Die in der elektronischen Schaltung 5 entstandene Wärme führt aufgrund der angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten von dem Substrat 4, dem Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3, dem porösen Körper 9 und dem metallischen Kühlkörper 2 zu deutlich weniger thermisch bedingten Spannungen in der stoffschlüssigen Verbindung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 6 und dem metallischen Kühlkörper 2. In Folge dessen wird die Beanspruchung der stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere der dünnen Schicht von Lotmaterial 7, deutlich verringert und die Dauerhaltbarkeit erhöht. Die gute Wärmeleitfähigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zwischen elektrisch leitfähiger Schicht 6 und metallischem Kühlkörper 2 bleibt dabei erhalten.
  • Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelementes wird folgendermaßen vorgegangen:
    Zunächst wird das elektrisch isolierende Substrat 4 für eine elektronische Schaltung 5 bereit gestellt, wobei die zweite Seite des Substrates 4 eine elektrisch leitfähige Schicht 6 aufweist. Anschließend wird der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 an die elektrisch leitfähige Schicht 6 des Substrates 4 durch Hartlötung bei einer Temperatur von kleiner 750 °C angebracht. Danach wird das pulverförmige Anpassungsmaterial 10 in den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 durch Rütteln oder als Schlicker eingebracht. Die Menge des Anpassungsmaterials 10 richtet sich dabei nach dem gewünschten Konzentrationsverhältnis und dem gewünschten thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Anschließend wird der poröse Körper 9 aus pulverförmigen Anpassungsmaterial 10 mit der gewünschten Porosität auf den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 gepresst. Als nächstes wird der gesamte Körper, umfassend das beschichtete Substrat 4, den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 und den porösen Körper 9, in eine Gussform eingelegt. In der Gussform wird abschließend der metallische Kühlkörper 2 angegossen, wobei der poröse Körper 9 und der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz 3 von dem Metall 8 des Kühlkörpers 2 durchsetzt wird.

Claims (16)

  1. Elektronisches Bauelement (1) umfassend – einen metallischen Kühlkörper (2), – ein elektrisch isolierendes Substrat (4) für eine elektronische Schaltung (5) mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, und – eine an die zweite Seite des Substrates (4) angebrachte elektrisch leitfähige Schicht (6) dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen dem metallischen Kühlkörper (2) und der elektrisch leitfähigen Schicht (6) an der zweiten Seite des Substrates (4) eine stoffschlüssige Verbindung besteht, umfassend – eine dünne Schicht von Lotmaterial (7), – einen Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3), der von dem Metall (8) des Kühlkörpers (2) durchsetzt ist, – wobei die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem metallischen Kühlkörper (2) und der zweiten Seite des Substrates (4) eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  2. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung einen porösen Körper (9) umfasst, der zwischen dem Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) und dem metallischen Kühlkörper (2) angeordnet ist.
  3. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (9) von dem Metall (8) des Kühlkörpers (2) durchsetzt ist und aus einem Anpassungsmaterial (10) besteht, das geeignet ist die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers (2) und des Substrates (4) einander anzupassen.
  4. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) von einem Anpassungsmaterial (10), das geeignet ist die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Kühlkörpers (2) und des Substrates (4) einander anzupassen, durchsetzt ist.
  5. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (9) und/oder der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) ein derartiges Konzentrationsverhältnis zwischen dem Anpassungsmaterial (10) und dem Metall (8) des Kühlkörpers (2) aufweist, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des porösen Körpers (9) und/oder des Körpers aus Metallschaum oder Metallfilz (3) im Bereich zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrates (4) und des Kühlkörpers (2) liegt.
  6. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (2) aus Aluminium, Kupfer, Eisen oder einer Legierung dieser Metalle besteht.
  7. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (2) ein Teil des Gehäuses eines elektronischen Hochleistungsbauelementes ist.
  8. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (4) aus einer Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Keramik besteht.
  9. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Schicht (6) an der zweiten Seite des Substrates (4) aus Kupfer oder einer Kupfer-Legierung besteht.
  10. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (9) aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliciumcarbid besteht.
  11. Elektronisches Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (9) aus pulverförmigen Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid gepresst ist.
  12. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Körper (9) eine Porosität von ca. 50 % aufweist.
  13. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) aus einem hartlötbaren Metall, vorzugsweise aus Kupfer, Nickel oder Eisen, besteht und das den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) durchsetzende Anpassungsmaterial (10) pulverförmiges Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid ist.
  14. Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne Schicht von Lotmaterial (7) aus einer Kupfer-Silber-Legierung besteht und der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) durch Hartlötung an die elektrisch leitfähige Schicht (6) an der zweiten Seite des Substrates (4) angebracht ist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Substrates (4) für eine elektronische Schaltung (5) mit einer ersten und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, wobei die zweite Seite des Substrates (4) eine elektrisch leitfähige Schicht (6) aufweist, – Anbringen eines Körpers aus Metallschaum oder Metallfilz (3) an die elektrisch leitfähige Schicht (6) der zweiten Seite des Substrates (4) durch Hartlöten, – Einlegen des gesamten Körpers, umfassend das beschichtete Substrat (4) und den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) in eine Gussform, – Angießen eines metallischen Kühlkörpers (2), vorzugsweise durch Druck-, Sand- oder Kokillenguss, wobei der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) von dem Metall (8) des Kühlkörpers (2) durchsetzt wird.
  16. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelementes nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach dem Anbringen eines Körpers aus Metallschaum oder Metallfilz die folgenden Schritte umfasst: – Einbringen eines pulverförmigen Anpassungsmaterials (10), vorzugsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, in den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) durch Rütteln oder als Schlicker, – Aufpressen eines porösen Körpers (9) aus pulverförmigen Anpassungsmaterial (10), vorzugsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid, an den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3), – Einlegen des gesamten Körpers, umfassend das beschichte Substrat (4), den Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) und den porösen Körper (9) in eine Gussform, – Angießen eines metallischen Kühlkörpers (2), vorzugsweise durch Druck-, Sand- oder Kokillenguss, wobei der poröse Körper (9) und der Körper aus Metallschaum oder Metallfilz (3) von dem Metall (8) des Kühlkörpers (2) durchsetzt wird.
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