KR20190098971A - 전기 요소용 캐리어 기판 및 캐리어 기판의 제조 방법 - Google Patents

전기 요소용 캐리어 기판 및 캐리어 기판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 요소(13)용 캐리어 기판(1)을 제안한다. 캐리어 기판(1)은 구성 요소 측면(4) 및 상기 구성요소 측면(4)에 대향하고 냉각 구조(30)를 갖는 냉각 측면(5)을 가지고, 전기 절연을 위해 구성 요소면(4)과 마주하고 세라믹으로 제조되는 제 1 층(10) 및 캐리어 기판(1)을 보강하기 위해 냉각 측면(5)과 면하는 제 2 층(20), 구성 요소 측면(4)으로부터 냉각 측(5)으로의 열전달을 위해 제 1 층(10)과 제 2 층(20) 사이에 배치되는 금속 중간층(15)을 포함하여 구성되고, 상기 금속 중간층(15)은 제 1 층(10) 및/또는 제 2 층(20)보다 두껍다.

Description

전기 요소용 캐리어 기판 및 캐리어 기판의 제조 방법
본 발명은 전기 요소, 특히 전자 요소용 캐리어 기판 및 캐리어 기판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
예를 들어, 캐리어 기판은 DE 10 2004 033 933 A1에서 기판 또는 인쇄 회로 기판으로 공지되어 있다. 일반적으로, 전기 요소와 전도 경로(S)는 전기 요소와 전도 경로가 전기 회로를 형성하도록 상호 접속될 수 있는 상기 캐리어 기판의 한 요소 측면상에 배치된다. 특수 용도의 경우 캐리어 기판은 개별 전기 요소 및 전도 경로의 전기 절연을 위한 높은 전기 절연 강도를 갖는 절연층, 예를 들어 세라믹으로 제조된 1차층을 갖는 것이 특히 바람직한 것으로 입증되었다.
이러한 캐리어 기판의 작동 중에, 전기 요소는 통상 가열되고 요소 측면상에 국지적인 열원을 형성하는 방식으로 응력을 받는다. 가열에 의해 야기되는 전기 요소 또는 캐리어 기판에 대한 손상을 피하기 위해, 종래 기술 예를 들어 DE 10 2009 022 877 A1에서 알 수 있는 바와 같이, 예를 들어 제 1 층에 인접한 구리 층 또는 구리베이스로서 형성되어 부품 측과 반대되는 냉각 측에 납땜되는 히트 싱크 또는 냉각 구조가 공지되어 있다. 히트 싱크 또는 냉각 구조에 의한 충분한 열용량을 제공하기 위해, 히트 싱크 및/또는 냉각 구조는 적절하게 큰 치수로 만들어 져야하며, 이는 이용 가능한 공간을 채우는 캐리어 기판에 대한 설계가 디자인이 불리한 방식으로 회피될 수 없다는 것을 의미한다.
또한, 특정 전기 요소 및 그 전력 밀도는 캐리어 기판의 냉각 성능에 대한 요구를 증가시킨다. 또한, 전기 요소가 사용될 때 캐리어 기판 상에 기생 인덕턴스가 발생할 수 있으며, 이는 캐리어 기판의 동작에 부정적인 영향을 미친다. 마지막으로, 상기 캐리어 기판의 전자기 호환성은 사용되는 전도체 구조나 일반적인 금속 구조에 대한 높은 요구를 가진다.
따라서, 본 발명의 목적은 특히 크기, 중량, 냉각 성능, 전자기 적합성 및 기생 인덕턴스에 관해서 제 1층 세라믹(예를 들어, 세라믹으로 제조)으로 캐리어 기판을 개선하는 것이다.
상기 문제점은 제 1 항에 따른 전기 요소용 캐리어 기판 및 제 11 항에 따른 방법에 의해 해결된다. 또한 본 발명의 장점 및 특징은 상세한 설명 및 첨부된 도면과 함께 종속 청구항으로부터 비롯된다.
본 발명에 따르면, 캐리어 기판에는 전기 요소, 특히 전자 요소가 제공되며, 상기 캐리어 기판은 구성 요소 측면 및 상기 구성 요소 측면에 대향하고 냉각 구조를 갖는 냉각 측면을 가지며, 상기 캐리어 기판은 전기 절연을 위해 구성 요소 측면을 향하고, 특히 Al2O3의 Si3N4, AlN으로 또는 HPSX 세라믹(즉, ZrO2의 x% 비율 예를 들면 9% ZrO2 = HPS9를 가진 Al2O3 또는 25% ZrO2 = HPS25를 가진 Al2O3을 포함하는 Al2O3 매트릭스를 가지는 세라믹)으로 제조되고, 캐리어 기판을 보강하기 위해, 상기 냉각측면과 면하는 제2층, 구성 요소 측면으로부터 냉각 측면으로의 열 전달을 위해 상기 제 1층과 상기 제 2층 사이에 배치되는 금속 중간층을 가지며, 상기 금속 중간층은 상기 제 1층 및/또는 제 2층보다 두껍다.
제 1층은 바람직하게는 5kV/mm 이상, 특히 바람직하게는 10, 20 또는 심지어 30kV/mm 이상의 높은 전기 절연 저항 및/또는 바람직하게는 10W/mK 이상, 특히 바람직하게는 20W/mK 이상 또는 심지어 60W/mK 이상의 높은 열전도율을 갖는 절연층을 가지며, 예컨대 열 전도성 재료로 채워진 기술 세라믹 또는 유기 절연 재료를 포함한다. 제 1층 및/또는 제 2층의 두께는 바람직하게는 유전체 강도 또는 전기적 강도에 대한 요건을 충족시키도록 설계되거나 선택된다. 대부분의 적용에서 이미 언급된 세라믹 재료로부터 0.1-0.4 mm의 제 1층 및/또는 제 2층의 두께가 필요하다는 것이 입증되었다. 예를 들어, 고전압 DC 전송을 위한 새로운 SiC 기반 반도체 요소를 가진 10-15kV의 절연 강도를 요하는 상기 캐리어 기판의 경우, 2mm 및 그 이상까지의 층 두께가 1층에 및/또는 제 2층을 위해 필요할 수 있다.
종래기술과는 대조적으로, 캐리어 기판은 제 1층과 제 2층이 금속 중간층에 의해 분리되는 샌드위치 구조로 제공된다. 중간 층은 국지적 열원으로부터의 열 흐름이 제 2층 또는 냉각 측면의 방향으로보다 잘 퍼지게 하고 열을 방출하기 위한 임계 열 전달면을 형성하는 냉각 측면에서 보다 광범위한 열 분산을 보장한다. 이는 전체 캐리어 기판의 정적 열 저항(RTH), 즉 캐리어 기판의 고정 작동 중에 발생하는 열 저항을 개선한다. 예를 들어, 정적 열 저항은 이러한 방식으로 최대 30%까지 향상될 수 있다. 결과적으로, 3mm 내지 5mm 두께의 베이스 플레이트를 포함할 수 있는, 캐리어 기판의 냉각 측면 상의 대형 냉각 구조가 생략될 수 있다. 이것은 재료가 생략될 수 있어 제조 비용을 저감할 수 있다는 장점을 초래할 뿐만 아니라 작동하는 동안 열적으로 유도된 기계적 응력 또는 기계적 지렛대 효과(prying effect)에 대응할 수 있는 냉각 측면 뿐만 아니라 구성 요소 측면상의 특히 금속 코팅에 대해 대칭적으로 캐리어 기판이 설계되도록 한다. 그렇지 않으면, 이러한 기계적 응력은-예를 들어 바이메탈 효과의 형태로- 및 특히 두꺼운 냉각 구조가 사용될 때, 캐리어 기판의 구부러짐을 초래할 수 있다.
또한, 중간층은 스위치 온 공정 또는 전력 피크 동안 단시간에 열을 흡수하거나 저장할 수 있기 때문에, 전이 또는 동적 열 저항(ZTH)이 충분한 크기가 되도록 보장한다. 캐리어 기판이 바람직하게는 정적 내열성에 관하여 설계되는 것을 고려해야 한다. 여기서, 정적 열적 열 저항은 바람직하게 약 20 내지 30초 후에 시작되고, 구성요소 상에서 유리하게 측정될 수 있다. 다른 시스템의 동적 거동을 비교하기 위해 스위치 온 과정이 시작된 후 300ms의 열 저항을 측정하는 것도 고려할 수 있다.
또한, 비교적 두꺼운 중간층이 전체 캐리어 기판의 보강 또는 안정화에 기여하는 것이 바람직하다고 판명된 바 있다. 캐리어 기판은 특히 냉각액에 의해 캐리어 기판에 작용하는 것과 같은 내부 응력 및 외력에 대해 충분히 딱딱한 것으로 밝혀졌다. 또한, 세라믹층의 층 두께는 바람직한 방법으로 감소될 수 있다.
본 발명의 바람직한 형태에 따르면, 상기 중간층은 제 1층 및/또는 제 2층의 두께의 1.1에서 10배사이, 바람직하게는 1.2 내지 5배 사이, 보다 바람직하게는 1.3 내지 3배 사이 또는 심지어 실질적으로 1.5배이다. 그러나, 중간층은 또한 다른 두께를 가질 수 있다. 특히, 중간층은 1mm 내지 10mm 사이, 바람직하게는 1mm 내지 5mm 사이, 더욱 바람직하게는 1.5mm 내지 5mm 사이 또는 심지어 본질적으로 1.5mm 두께일 수 있다. 놀랍게도 이러한 값의 범위를 벗어나는 정적 내열성, 즉 층간 두께의 증가 및 감소 양쪽 모두, 특히 제 1층 및/또는 제 2층의 두께에 대한 열 저항이 저하된다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 냉각 성능을 최적화하기 위해 층 두께에 대응하여 조정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 형태에 따르면, 제 1층 및/또는 제 2층의 두께의 2.5에서 100배사이, 바람직하게는 3.5 내지 50배 사이, 보다 바람직하게는 10 내지 25배 사이 또는 심지어 실질적으로 20배이다. 그러나, 중간층은 또한 다른 두께를 가질 수 있다. 특히, 중간층은 1mm 내지 10mm 사이, 바람직하게는 1mm 내지 5mm 사이, 더욱 바람직하게는 1.5mm 내지 5mm 사이 또는 심지어 본질적으로 3mm 두께일 수 있다. 이러한 두꺼운 중간층은 상기 중간층의 최적 열 확산을 허용하여, 전해진 열이 냉각 구조를 통해 방출되기 전에 바람작한 방법으로 가능한한 균일하게 분포된다.
본 발명의 다른 버전에 따르면, 중간층의 두께는 1mm이상, 바람직하게는 1.4mm이상, 보다 바람직하게는 1.9 mm이상으로 제공된다. 이러한 비교적 두꺼운 중간층은 특히 대부분의 상이한 기판 유형의 열 확산에 유리하다는 것이 증명되었다. 냉각 측면의 냉각 구조가 다시 소형화될 수 있도록 중간층을 두껍게 만드는 것이 유리하다. 층간 두께의 증가에도 불구하고, 냉각 구조는 더 작아져서 캐리어 기판의 전체 두께가 감소될 수 있다고 생각할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 냉각 구조는 베이스 몸체 영역 및 립 영역을 가지며, 립 영역 두께와 베이스 몸체 두께 사이의 비율(SD/BD)은 1.2 내지 6, 바람직하게는 1.4 내지 3 사이, 더욱 바람직하게는 1.6 내지 2.5이다. 비교 가능한 냉각 능력으로, 립 영역, 예를 들어 히트 싱크의 핀이 상당히 짧아질 수 있다는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 그 결과 캐리어 기판과 최적화된 플로우 조건을 보다 콤팩트하게 설계할 수 있다. 1.6 내지 2.5 사이의 비율은 향상된 냉각 효과 및 캐리어 기판의 비교적 컴팩트한 디자인 모두를 달성할 수 있기 때문에 특히 유리한 것으로 입증되었다. 립 영역은 바람직하게는 베이스 몸체 영역으로부터 수직으로 돌출하는 립 또는 핀에 의해 형성되는 반면, 베이스 몸체 영역은 특히 고체 또는 덩어리 영역을 형성한다. 또한, 립은 베이스 몸체 영역에 대한 수직 정렬과 관련하여 경사지는 것을 고려할 수 있다. 특히, 립 영역 두께와 베이스 몸체 두께는 주 연장 평면에 수직인 방향으로 측정된다.
바람직하게는 냉각 구조 두께, 특히 효과적인 냉각 구조 두께는금속 중간층 의 0.03 내지 1 배, 바람직하게는 0.1 내지 0.5배 및 보다 바람직하게는 0.15 내지 3배이다. 놀랍게도, 그러한 얇은 냉각 구조 두께가 실현될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 전체 두께를 줄이는 것 외에도, 냉각 구조 두께가 반대 구성 요소 측면 상의 금속화 두께와 비교 가능한 두께, 특히 효과적인 냉각 구조 두께를 갖도록 냉각 구조 두께 치수를 조정하는 것이 유리하게 가능하다. 효과적인 냉각 구조 두께는 냉각 구조가 평평하지는 않지만 구조화되어 있다는 사실, 즉 구조화된 냉각 구조의 두께 평균이 비 구조화된 히트 싱크라는 시실을 고려한다.
기본적으로, 특히, 세라믹으로 제조된 제 1층은 평평한 형상이며, 바람직하게는 캐리어 기판의 전체 구성요소 측면위로 연장된다. 제 2층은 특히 1층에 평행하게 정렬된다. 구성요소 측면에서, 보다 구체적으로, 중간층으로부터 이격된 제 1층의 측면에서, 금속 연결 요소 및 특히 전도성 경로는 연결요소에 부착된 전기 요소를 제어하기 위해 제공되어 금속 연결 요소에 전도 가능하게 연결되도록 배치된다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 냉각 측면의 냉각 구조는 제 2층에 직접 접하도록 제공되는데, 예를 들어 능동 솔더링 공정 또는 DCB 공정에 의해 제 2층과 쿨러의 직접 연결을 가능하게 하는 솔더 금속을 제외하고는 냉각 구조와 제 2층 사이에는 어떠한 솔더 금속 또는 유사한 것이 없다. 또한, 제 1층에 평행하고 제 2층에 바로 인접하여 연장되는 냉각 구조의 일부는 금속 중간층보다 얇다. 층 두께는 각각의 층, 즉 중간층, 제 1층 및 제 2층의 범위를 의미하며, 제 1층의 주 연장 평면에 수직으로 연장되고, 제 1층, 중간층 및 제 2층은 서로 적층되거나, 특히 제 1 층의 주 연장 평면에 수직으로 연장되는 방향을 따라 적층되거나 배열된다.
또한, 중간층이 다층화되어 있는 것도 생각할 수 있다. 이 경우, 상기 캐리어 기판은 중간층의 제 1층 및 제 1층(구성 요소들이 구비되어 있음)으로 이루어진 적어도 3개의 층을 갖는 상부 다중층, 및 상기 중간층의 제 2층, 제 2층 및 냉각 구조로 구성된 적어도 3개의 층을 갖는 하부 다중층을 함께 결합함으로써 제조될 수 있다. 상부 및 하부 다중층은 DCB 공정, DAB 공정, 확산 용접 또는 납땜 조인트에 의해 또는 은 소결과 같은 소결 공정에 의해 또는 열전도체, 에폭시 층 또는 폴리 아미드층과 같은 접착 절연층과 같은 다른 다른층에 의해 함께 결합될 수 있다.
또한, 샌드위치 구조의 캐리어 기판은 전기 절연을 위한 하나 이상의 추가의 주층, 캐리어 기판을 안정화시키기 위한 하나 이상의 추가의 제 2층 및/또는 구성요소 측면으로부터 냉각 측면으로의 열 전달을 위한 복수의 추가의 중간 요소를 갖는 것도 생각할 수 있다. 전기 요소는 예를 들어 Si, SiC 또는 GaN으로 만들어진 반도체 요소이다.
본 발명의 주제의 바람직한 실시예에 대한 하기 설명으로부터 더 많은 장점 및 특징이 얻어진다. 개별 설계의 개별 특성은 본 발명 내에서 서로 조합될 수 있다.
중간층의 충분한 열용량을 확보하기 위해, 중간층의 두께는 제 1층과 제 2층의 조합된 두께의 2배 이상, 바람직하게는 3배 이상, 보다 바람직하게는 5배 이상으로 제공된다. 또한, 중간층의 층 두께와 캐리어 기판의 전체 두께의 비가 0.2 내지 0.8 사이, 바람직하게는 0.3 내지 0.7 사이, 보다 바람직하게는 0.4 내지 0.6 사이의 값을 가지는 것도 생각할 수 있다. 캐리어 기판의 총 두께는 구성요소 측면의 전도성 경로의 제 1층으로부터 상기 캐리어 기판의 냉각 측면의 냉각 구조의 단부에 수직한 방향에서 측정된다. 특히 간단한 실시예에서, 캐리어 기판의 전체 두께는 8mm 이하, 바람직하게는 6mm 이하, 보다 바람직하게는 4mm이다.
이는 바람직하게는 전도성 경로, 금속 연결 요소, 중간층 및/또는 냉각 구조가 알루미늄, 몰리브덴, 텅스텐, CuMo, CuW, 인바, 코바 및/또는 은을 포함하는 재료로 제조되는 것이 제공된다. 전도성 경로, 금속 연결 요소, 중간층 및/또는 냉각 구조는 바람직하게는 구리를 포함하는 재료로 제조된다. 전도성 경로, 금속 연결 요소, 중간층 및/또는 냉각 구조는, 예를 들어, 상기 금속 층 또는 분말 야금에 의해 제조된 매트릭스 복합체와 같은 복합 재료로 제조되는 것이 고려된다. 이러한 복합체는 바람직하게는 상술한 금속으로 제조될 수 있지만, CTE 적응 및 증가된 강성을 위해 Al2O3 및/또는 SiC 및/또는 Si3N4 또는 그래파이트 또는 다이아몬드 ㅍ파우더를 가진 Al과 같은 세라믹 입자로 충진된 금속 매트릭스 복합체로 이루어진다. 캐리어 기판의 충분한 안정성을 제공하기 위해, 제 1층 및/또는 제 2층은 제 1층 및/또는 제 2층에 대한 탄성 계수가 경로의 탄성 계수보다 크도록 설계된다. 또한, 제 1층 및 선택적으로 제 2층이 전기 절연 강도가 5 kV/mm 이상, 바람직하게는 10 kV/mm 이상, 보다 바람직하게는 20 kV 이상 또는 열 전도성이 10W/mK 이상, 바람직하게는 20W/mK 이상, 보다 바람직하게는 60W/mK 이상의 재료로 제조된 바람직한 실시예가 제공된다.
예를 들어, 이들은 기술적 세라믹이거나, 특히 제 2층의 경우 에폭시 수지 또는 폴리이미드와 같은 열전 도성 재료로 채워진 유기 절연 재료이다. Al2O3, Si3N4, AlN, BeO, SiC 또는 MgO는 제 1층 및/또는 제 2층을 형성하는데 특히 유리하거나 유기 절연 재료용 충전제로서 유리한 것으로 입증되었다. 마찬가지로, 변환 증폭을 위한 전형적인 소결 첨가제 이외에도, 9% ZrO2-HPS9 를 갖는 Al2O3 또는 25% ZrO2-HPS25를 갖는 Al2O3와 같은 다양한 ZrO2 함유물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 금속 중간층은 단일층으로 설계되는 것이 제공된다. 단일층은 특히 금속 중간층이 일체로 형성되고 제 1층과 제 2층을 적어도 특정 영역에서 연속적으로 연결되는 것을 의미한다. 다시 말해, 단일 중간층은 제 1층의 한 측면과 제 2층의 다른 측면에 인접해 있다. 단일층 형태는 중간층을 형성하기 위해 몇몇층들을 적층하고 연결시킬 필요가 없기 때문에 캐리어 기판을 제조하는데 수반되는 노력을 감소 시키는데 유리하다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 제 1 기판 및 제 2 기판은 열 팽창에 대한 특히 그들의 팽창 계수에 관하여 캐리어 기판의 편향을 피하기 위해 서로 적응된다. 여기서 제 1 기판은 1층에 더하여, 상기 중간층의 일부 및 전도성 경로층을 포함하고 제 2 기판은 제 2층에 더하여, 성가 중간층의 다른 부분과 냉각 구조를 포함한다. 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에는 중간 기판 또는 중간층의 중간 부분이 있다. 제 1 기판 및/또는 제 2 기판의 층 두께 및/또는 재료는 바람직하게는 캐리어 기판이 제 1층의 영역 및 제 2층의 영역에서 균등하게 팽창하는 방식으로 서로 매칭된다. 그 결과, 작동 중 또는 온도로 인해 캐리어 기판을 제조하는 동안 발생할 수 있는 열 응력이 유리한 방식으로 중화될 수 있고, 전기 절연 특성을 손상시키지 않으면서 캐리어 기판을 아킹(arching)하는 이중 금속 효과의 가능성을 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 캐리어 기판은 중간층과 열 기계적으로 경상 대칭이며, 즉 층 두께 및 제 1 층과 제 2 층이 생성되는 재료는 서로의, 특히 이들의 열 기계적 거동에서 일치한다. 선택적으로, 제 1층과 제 2층의 동일한 기하 구조로, 제 2 층의 재료가 제 1 층의 재료의 재료에 상응하는 팽창 계수를 가지거나, 예상되는 온도 분포에서 제 1 층 및 제 2층의 균일한 팽창이 발생하는 방식으로 크기면에서 적어도 비교 가능한 것도 고려할 수 있다. 또한, 제 1층 및 제 2층의 선택 및 형태에서 캐리어 기판에 대한 가능한 또는 예상되는 온도 구배가 또한 고려될 수도 있다.
유체 냉각을 위해 제공된 냉각 구조는 캐리어 기판의 단부로서 냉각 측면상의 직접적으로 제 2층에 유리하게 인접하며, 냉각 구조는 특히 립 베드, 바늘 및/또는 노브형 구조의 형태이다. 특히, 냉각 구조는 캐리어 기판에 통합된다. 가스 및 냉각제는 유체로 고려될 수 있다. 열교환을 위해 냉각 구조과 접촉하는 냉각제를 사용함으로써, 냉각 측면으로 이송된 열은 가능한 한 신속하고 효율적으로 캐리어 기판으로부터 제거될 수 있다. 이는 냉각 성능을 유리하게 증가시킨다. 금속 중간층의 사용은 또한 냉각 구조의 프로파일 깊이를 감소시키는 시너지 효과를 갖는다. 예를 들어, 냉각 구조은 8 이하, 바람직하게는 3 이하, 보다 바람직하게는 1 이하의 종횡비를 갖는다. 종횡비가 작은 냉각 구조의 또 다른 장점은 안정성이다. 또한, 상기 냉각 구조는 바람직하게는 부식 방지를 위한 부식 보호층, 특히 NiP, Ni의 SiO2, Al2O3를, TiOx로, NiAu, NiPdAu 층으로 코팅된다. 이는 캐리어 기판의 냉각 성능을 캐리어 기판의 서비스 수명 동안 가능한 한 오랫동안 유지할 수 있을 뿐만 아니라 전체 냉각 시스템 및 그 밖의 구성 요소의 서비스 수명을 유지할 수 있게 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제 1층은 비아를 가지며 및/또는 중간층이 또 다른 전도성 경로를 형성하기 위해 접촉 요소를 갖는 것이 제공된다. 이는 전류가 개별 요소를 제어하기 위해 전도될 수 있는 부가적인 전도성 경로로서 금속 중간층이 유리하게 사용되어 기생 유도성 간섭 영역 또는 간섭 효과를 감소 또는 개선하여 전기 요소의 제어 및 전자기 호환성을 향상시키고, 낮은 인덕턴스 캐리어 기판을 제공한다.
중간층을 제 1층의 금속 연결 요소와 전기적으로 연결하기 위해 비아(vias)가 제공된다. 상기 비아는 제 1층 내의 관통-보어로 설계되어 상기 관통-보어는 전도정 충전 재료 특히 전도성 전도성 페이스트로 채워진다. 바람직하게는, 비아가 금속 단말 요소 바로 아래의 제 1층의 주 평면에 수직인 방향으로 배열된다. 금속 중간층을 제어하거나 그것에 전압을 가하기 위해, 금속 중간층은 그 자신의 접촉 요소를 가지거나 또는 상기 요소 측면상의, 비아에 의해 중간요소로부터 이격된 제 1층의 측면상의 접촉 요소에 전도적으로 연결된다. 또한, 구성요소 측면의 전기 요소가 비아에 의해 제어되는 것이 아니라, 부분적으로 또는 섹션으로 제 1층을 순환하여 구성요소 측면과 중간층 사이의 접촉을 형성하는 전도성 경로에 의해 제어되는 것도 고려할 수 있다.
제 2층은 W세라믹 또는 몰리브덴, 텅스텐 또는 CU 또는 MoCu 기반 복합 재료로 이루어진다. 세라믹 제 2층은 특히 안정된 캐리어 기판을 제공하는데 사용될 수 있다. 중간층이 추가적 전도 경로로 사용하는 경우, 세라믹 제 2층은 전기 절연을 위한 특히 적합하다. 따라서 SiC 또는 GaN으로 이루어진 반도체 요소가 전기 요소로 의도된 경우 세라믹으로 만들어진 제 2층의 사용이 바람직하다. 제조 비용을 줄이기 위해, 특히 적절한 절연이 요구되지 않는 경우에 특히, 몰리브덴의 제 2층이 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 금속 중간층, 전도성 경로 및/또는 냉각 구조가 에칭된 구조를 가져서 제 1층 및/또는 제 2층과 마주하는 면에서 열 충격 저항을 증가시키는 것이 제공된다. 이것은 개구, 즉 중간층의 표면, 전도성 경로 및 금속 연결 요소에 제 1층 및/또는 제 2층을 향한 "숨겨진 딤플" 구조를 만든다. 이것은 캐리어 기판의 내열 충격성을 최대 10배까지 유리하게 증가시킨다. 이러한 구조는 점형 또는 선형 방식으로 에칭된다. 금속 중간층은 바람직하게는 제 1층을 마주하는 면 및 제 2층을 마주하는 면 모두에서 에칭된 구조를 나타낸다. 중간층은 적어도 하나의 에칭된 관통-보어를 가지거나, 서로 중첩되지 않고 라인을 따라 배열된 포인트형 에칭 구조를 가지는 것을 고려할 수 있다.
바람직하게는, 캐리어 기판은 구성요소 측면을 폐쇄하는 하우징 부분, 특히 주조 부분으로 설계된 하우징 부분을 가지며, 상기 하우징 부분은 바람직하게는 냉각 측면에 배치된 냉각 구조로 플러싱된다. 하우징 부분은 구성 요소 측면의 전기 요소를 외부 영향으로부터 바람직하게 보호한다. 캐리어 기판상의 전기 요소들과 소통하기 위해, 종단 요소들은 바람직하게는 하우징 부분을 관통하여 하우징 부분 외부의 접촉부로서 사용자가 이용할 수 있다. 냉각 구조을 갖는 하우징 부분의 플러싱 마감은 사용자에게 히트 싱크, 특히 히트 싱크로서, 예를 들어 다른 캐리어 기판과 함께 사용되는 솔리드 몸체 상에 캐리어 기판을 장착할 가능성을 제공하거나, 냉각 구조물에 셸 요소 또는 유체 채널, 특히 액체 채널을 형성하는 구성요소를 결합시키는 가능성을 제공한다는 점에서 유리하다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 냉각 구조는 금속층에 리세스를 구비하여 제 2층의 외주에 인접한 영역에 팽창 조인트를 형성하는 것이 제공된다. 특히, 팽창 조인트로서 작용하는 리세스는 제 2층에 의해 커버되지 않는 것이 의도된다. 이는 냉각 구조의 열적 종방향 팽창이 냉각 구조의 종방향 팽창을 흡수하는 팽창 조인트로 작용하는 리세스에 의한 기계적 응력의 형성을 야기하지 않는 바람직한 방법으로 가능하도록 한다.
본 발명의 다른 목적은 캐리어 기판의 제조 공정이다. 본 발명에 따른 기판에 대해 서술된 모든 특징 및 장점은 본 발명에 따른 방법 및 그 반대와 유사하게 전달될 수 있다.
구체적으로, 캐리어 기판의 제조 방법은 전도성 경로, 제 1층, 제 2층, 중간층 및 냉각 구조가 공통 접착 방법, 특히, 동시에 공통 방법 단계를 사용하여 결합 ㄸ또 접착되는 것을 제안한다. 특히, 기판 제조 공정 중에 냉각 구조가 제 2층에 결합되는 것이 제공된다. 개별 층이 동시 결합하거나 부착되는 것은 냉각 구조의 부착 이후 평소와 같이 개별층의 편향이 바람직하게 방지될 수 있도록 한다. DCB 공정, 능동 납땜, 브레이징 또는 본딩이 접합 방법으로 고려될 수 있다.
선택적으로, 이미 언급된 접합 방법을 사용하여, 제 1 단계에서 예를 들어, 전도성 경로를 갖는 제 1층 및 금속 중간 뷰의 일부뿐만 아니라 금속 중간층 및 냉각 구조의 일부를 갖는 제 2층과 같은 2개 이상의 부분 기판을 개별적으로 제조하는 것도 고려될 수 있다. 이들 2 개의 개별적인 적층체는 DCB 공정, 납땜, 연납, 확산 용접 또는 소결 공정과 같은 통상적인 접합 방법에 의해 본 발명에 따른 기판에 대한 제 2 결합 단계에서 접합된다.
"DCB 공정"(직접 구리 본드 기술)은 예를들어 그 표면 측에 금속의 화학적 화합물 및 반응성 가스, 바람직하게는 산소의 층 또는 코팅(용융 층)을 갖는 금속 시트 또는 구리 시트 또는 금속 또는 구리 시트를 사용하여 금속층 또는 시트(예: 구리 시트 또는 호일)를 함께 결합하거나 세라믹 또는 세라믹 층과 결합시키는 데 사용되는 공정이다. 예를들어 US 3 744 120 A 또는 DE 23 19 854 C2에 서술된 상기 방법에서, 상기 층 또는 코팅(용융 층)은 용융 온도가 금속(예: 구리)보다 낮은 공융체를 형성하여, 호일을 세라믹에 적용하고 모든 층을 가열함으로써 본질적으로 용융 금속 또는 구리는 용융 층 또는 산화물 층의 영역에서만 존재한다.
특히, DCB 공정은 다음과 같은 공정 단계를 갖는다.
- 균일한 구리 산화물층을 형성하기 위해 구리 호일을 산화시키는 단계;
- 세라믹층에 구리 호일을 증착하는 단계;
- 복합체를 약 1025~1083℃ 사이, 예를들어 약 1071℃의 공정 온도로 가열하는 단계;
- 실온으로 냉각하는 단계.
예를 들어, 금속층 또는 금속 호일, 특히 세라믹층을 갖는 구리층 또는 구리 호일을 접합하기 위한 능동 솔더 공정은 약 650-1000℃ 사이의 온도에서 특히 금속-세라믹 기판을 제조하기 위해 역시 사용되는 공정인것으로 이해되며, 조인트는 구리, 은 및/또는 금과 같은 주성분에 부가하여 활성 금속을 포함하는 납땜 합금을 사용하여, 금속 호일, 예를들어 구리 호일 및 세라믹 기판, 예를들어 알루미늄 니트라이드 세라믹 사이에서 제조된다.
이와같은 활성 금속은 예를 들어 Hf, Ti, Zr, Nb, Ce그룹의 적어도 하나의 원소는 화학 반응에 의해 솔더와 세라믹 사이에 결합을 형성하는 반면, 솔더과 금속 사이의 결합은 금속 브레이징 결합이다.
특히, 냉각 구조는 캐리어 기판 제조의 틀 내에서 접합되거나 결합될 것으로 계획된다. 이는 브레이징 또는 DCB 공정에 의해 영향을 받는 캐리어 기판의 영역까지 인터페이스 영역의 온도 안정성을 증가시킨다. 이러한 결과는 캐리어 기판이 또한 모듈 생산을 위한 다운 스트림 조립체 및 연결 공정에서 200℃ 이상의 온도에서 작동할 수 있고, 예를들어 400 ℃와 같은 공정 온도에 제한이 없는 SiC 또는 GaN과 같은 반도체 물질로 제조 된 구성 요소에 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 실시예 에 따르면, 캐리어 기판은 실질적으로 제 1 기판, 제 2 기판, 바람직하게는 그 사이의 가상 중간층(d15.2 )으로 분할된다. 제 1 기판은층(d12, d10 및 d15.1)으로 형성되고 제 2 기판은 층(d15.3, d20 및 d30)으로 형성된다. 치수를 정할 때, 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 열 기계적 대칭 즉, 두 개의 기판의 열팽창 계수(CTE)가 바람직하게는 동일하거나 또는 적어도 유사해야 하며, 예를 들어 +/- 20% 또는 바람직하게는 ±10%, 더욱 바람직하게는 ±5%를 목표로 한다. 이것은 가능한 열역학적 스트레스와 결과적인 편향 효과를 줄이기 위해 필요하다. 적층된 복합 재료의 최종 열팽창 계수(CTE')는 대략 다음과 같이 계산된다:
Figure pct00001
대략적으로, 전문가는 특히 열팽창 계수가 실제 열팽창 계수에서 2~4% 벗어나는 것을 이해한다.
여기서, 각 부분 기판은 구부러지지 않거나 구부러진다고 가정한다. 각각의 팽창 계수(CTEi)에 추가하여, 탄성 계수(Ei) 및 층 두께(di)가 여기에 포함된다. 잠재적인 벤딩은 양 측면상의 금속화가 열기계적으로 동일하거나 유사하다는 사실에 의해 방지된다. 전체 표면 금속 화로 두 금속층은 동일하거나 적어도 유사하게 두껍습니다. 결과는 바람직하게는 d15.1 = d12 및 d15.3 = d30E이고, 여기서 d30E는 냉각 구조물의 가능한 구조화를 고려한 냉각기 층의 유효 층 두께이다.
이것은 제 1 기판에 적용된다:
Figure pct00002
그리고 제 2 기판에 대해서 다음이 적용된다:
Figure pct00003
여기서 d30E는 냉각 구조(30)의 열 기계적으로 유효한 두께이다. 두께 d30E는 다음과 같은 냉각 구조(30)의 구조에 따른다:
Figure pct00004
캐리어 기판의 개별 구성 요소 또는 층의 치수를 정할 때 완전한 열 기계적 대칭(CTE 10'= CTE20')을 설정할 수 없는 경우 온도에 따른 벤딩(bending)이 예상된다. 상술된 접근법은 가능한한 평평한 캐리어 기판을 실현한다는 목표로 열 기계적 측면을 고려하여 주로 층 구조의 최적화를 제공한다.
중간층(15)의 선택 및 그에 따른 결과적인 가상 중간층(d15.2)의 두께는 캐리어 기판(1)의 일시적인 거동을 상당히 한정하는 요구된 열 질량에 따른다. 열 질량에 관련된 층은 전도성 경로(d12), 중간층(d15) 및 베이스 두께(d30.1)에 의해 결정된다. 따라서, 열 버퍼층의 두께
Figure pct00005
가 규정된다. 열 퍼층의 두께
Figure pct00006
는 1-10 mm 사이, 바람직하게는, 1.1-5mm 사이, 특히 바람직하게는 1.2-3mm 사이로 한정된다.
대부분의 적용에서 최적 벤딩(h)은 0이다. 벤딩(h)의 양은 200㎛ 이하, 바람직하게는 100 ㎛ 이하 및 특히 바람직하게는 50 μm이하이다.
상기 모든 정보는 개개의 구조, 특히 트레이스(d12) 및 냉각 구조(30)의 각각의 구성뿐만 아니라 구성 요소의 변부에서의 임의의 경계 효과가 고려될 수 없기 때문에 개략적으로 이해해야 한다. 상술한 모델은 재료의 순수한 탄성 동작을 기반으로 한다. 소성 변형의 영향은 여기서 부차적인 역할을 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 열팽창 계수(CTE)를 결정할 때 횡방향 수축 거동이 고려된다. 특히, 횡단 수축 수 ν 또는 νi의 함수로서의 열 팽창 계수는 바람직하게는 다음에 따른다.
Figure pct00007
이것은 열팽창 계수가 훨씬 더 정밀하게 결정되도록 한다.
첨부 된 도면을 참조하여 본 발명의 목적을 실행하는 바람직한 형태에 대한 다음의 설명으로부터 추가적인 장점 및 특성이 얻어진다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기 요소용 캐리어 기판.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기 요소용 캐리어 기판.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전기 요소용 캐리어 기판.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 전기 요소용 캐리어 기판.
도 5는 벤딩 상태의 도 4의 캐리어 기판.
도 6 본 발명의 제 5 형태에 따른 캐리어 기판의 냉각 구조.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기 요소들(13)을 위한 캐리어 기판(1)을 개략적으로 도시한다. 이는 바람직하게는 특별한 용도에 유리한 캐리어 기판이다. 특히, 캐리어 기판(1)은 예를 들어 구리 또는 알루미늄으로 제조된 전기 절연 금속 전도성 경로(12)가 전기 요소(13) 또는 모듈에 제공되는 구성요소 측면(4)을 갖는다. 전기 요소(13)를 금속 전도성 경로(12)에 연결하고 상기 전도성 경로(12)를 연결함으로써, 전기 회로가 전기 요소(13)를 제어하기 위해 구현될 수 있다. 전기 요소(13)로부터 작동 및 발생 중에 발생하는 열 발생, 특히 전기 요소(13)가 있는 영역에서의 열 발생(elevation)을 방지하기 위해, 캐리어 기판(1)에 통합된 냉각 구조(30)가 부품 측면(4)에 대향하는 냉각 측면(5)에 제공된다. 특히 냉각 구조(30)는 작동 중에 유체, 바람직하게는 냉각 액체가 유동하는 금속 니들 또는 핀 구조이며, 냉각 구조(30)로부터 유체로 전달되는 열은 유리한 방식으로 연속적으로 제거될 수 있다.
요소 측면(4) 상의 개별적인 전도성 경로 들(12) 사이에 전기 절연을 제공하기 위해, 세라믹 제 1층(10)이 요소 측면(4)에 제공된다. 제 1층(10)은 플레이트 형이다. 충분한 안정성 및 강성을 제공하기 위해 제 1층(10)에 부가하여 제 2층(20)이 제공된다. 여기서, 제 1층(10) 및 제 2층(20)이 제조되는 재료는 도체가 제조되는 재료의 탄성 계수보다 큰 탄성 계수를 갖는다. 온도 변화 및 캐리어 기판(1)의 아킹(arching)시 발생하는 바이메탈 효과를 방해하기 위해, 캐리어 기판(1)은 제 1 층(10)과 제 2 층(20) 사이에 배치된 금속 중간층(15)에 대해 열점과 경상-대칭 또는 본질적으로 경상-대칭으로 열 기계적으로 구성되는 것이 더욱 바람직하다.
예를 들어, 캐리어 기판(1)은 그 층 순서, 즉 층의 수 및 유형, 층 두께 및/또는 층에 사용되는 재료에 대해 경상 대칭이거나, 이러한 관점에서 개별 층이 서로 조절된다. 특히, 제 2 층(20)은 바람직하게는 팽창 계수가 제 1 층(10)이 제조되는 재료의 팽창 계수와 일치하는 재료로 만들어진다. 제 2 층(20)은 세라믹, 몰리브덴, 텅스텐 또는 WCu 또는 MoCu에 기초한 복합 재료로 제조되는 것으로 고려될 수 있다. 도시된 예에서, 제 2 층(20)은 세라믹으로 제조된다. 제 1 기판(10')과 제 2 기판(20')의 팽창 계수가 특정 허용 오차 범위 내에서 일치하는 것도 고려할 수 있다. 바람직하게는, 제 1 기판(10') 및 제 2 기판(20')의 팽창 계수는 ± 20% 이하, 바람직하게는 ± 10% 이하이다. 제 1 기판(10') 및 제 2 기판(20')을 갖는 캐리어 기판(1)의 형태는 제 1 기판(10') 및 제 2 기판(20')의 팽창 계수에 대한 재료의 적절한 선택에 의해 바람직한 방법으로 캐리어 기판(1)의 강성이 유리하게 증가되도록 할뿐만 아니라 캐리어 기판(1)의 제조 중에 또는 종래의 작동시 발생하는 임의의 열 응력을 차단한다.
구성요소 측면(4)으로부터 냉각 측면(5)으로 열전달을 향상시키기 위해, 다층 또는 단층의 금속 중간층(15)은 제 1층(10)과 제 2층(20) 사이에 배치된다. 상기 금속 중간층(15)은 제 1층(10) 및/또는 제 2층(20)보다, 특히 제 1층 두께와 제 2층 두께의 합보다 두껍다. 바람직하게는, 중간층(15)은 제 1층(10) 및 제 2층(20)의 층 두께의 합의 2배 이상, 바람직하게는 3배 이상, 특히 바람직하게는 5배 이상이다. 결과적으로 열 질량이 중간층(15)의 형태로 형성된다.
제 1 층(10)과 제 2 층(20) 사이에 열 질량으로서 작용하는 금속 중간층(15)의 배열은 중간층(15)이 중간 저장부로서 작용하는 한 유리한 것으로 입증되며, 이는 스위치 온 및/또는 과부하 상황에서 특히 유리함을 입증한다. 이는 열 용량에 의해 중간층(15)에 의해 흡수되는 단시간 피크 파워를 높게 할 수 있고, 냉각 측에 연결된 열교환 기 또는 히트 싱크가 고장 나는 경우, 캐리어 기판(1)에 영구적인 손상을 일으키지 않고 장애에 반응할 수 있는 기간이 증가되도록 한다. 또한, 제 2 층(20)은 제 1 층(10)의 층 두께를 감소시키기에 충분한 안정성을 제공한다. 이것은 캐리어 기판(1)상의 발열 요소(13)에 대한 제 1 층(10)의 즉각적인 근접성으로 인한 열 저항에 특히 유익한 효과를 갖는다. 또한, 중간층(15)의 두께가 비교적 큰 거리에 걸쳐 열의 충분한 확산 또는 비 방향 전달을 허용하기 때문에, 구성 요소 측면(4)상의 국지적 열원으로부터의 열 발생은 중간층(15)에서 더욱 광범위하게 분산되어 내열성에 유리한 효과가 있다. 또한, 중간층(15)의 두께가 비교적 두꺼우면, 캐리어 기판(1)의 강성을 추가로 증가시키고, 따라서 상이한 팽창 계수 및 기판상의 냉각 액체의 압력에 의해 야기된 것과 같은 외부 응력 및 힘에 의해 야기되는 편향을 방지한다.
캐리어 기판(1)의 동작 중에 발생하는 기생 유도 효과를 줄이기 위해서는 금속 중간층(15)을 부가 전도성 경로로 사용하는 것이 바람직하다. 전류가 금속 중간층(15)에 인가될 수 있거나 이를 통해 금속 중간층(10)과 금속 단자 요소 사이의 전기 전도성 연결이 이루어질 수 있는 관통 연결부(11), 즉 비아가 제 1층(10)에 제공된다. 충분한 전기 절연을 보장하기 위해, 비아(11)를 갖는 캐리어 기판(1)의 제 2 층(20)은 특히 전기 절연 층, 예를 들어, 다른 세라믹 층이다. 도 1에 도시 된 실시예에서, 구성 요소 측, 즉 금속 중간층(15)에 전압을 인가하는 데 사용될 수 있는 제 1 층에 접촉 요소가 제공된다.
도시된 실시예에서, 층간 두께(b)는 제 1 층 두께(a1) 및/또는 제 2 층 두께(a2)의 1.1 내지 10배 사이, 바람직하게는 1.2 내지 5배 사이, 보다 바람직하게는 1.3 내지 3배 사이, 또는 실질적으로 1.5배이다. 예를 들면, 층간 두께(b)는 1mm 내지 10mm 사이의 값, 바람직하게는 1mm 내지 5mm 사이의 값, 보다 바람직하게는 1.5mm 내지 5mm 사이의 값, 또는 심지어 1.5mm의 값을 취한다. 다른 층간 두께, 특히 더 큰 두께도 가능하다.
선택적으로, 중간층 두께(b)는 제 1층 두께(a1) 및/또는 제 2층 두께(a2)의 2.5 내지 100배, 바람직하게는 3.5 내지 50배, 더욱 바람직하게는 10 내지 25배 또는 심지어 실질적으로 2.0 배이다. 예를 들어, 층간 두께(b)는 1mm 내지 10mm, 바람직하게는 1mm 내지 5mm, 보다 바람직하게는 1.5mm 내지 5mm, 또는 심지어 3mm의 값이다.
또한, 제 1층 두께(a1)는 본질적으로 제 2층 두께(a2)에 대응하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 제 2층 두께(a2)는 제 1층 두께(a1)의 1.5 내지 5배, 바람직하게는 1.3 내 2.5배, 보다 바람직하게는 1.1 내지 2배로 고려할 수 있다. 또한, 두께 비는 a2 = 0.5~2.0 a1, 바람직하게는 a2 = 0.7~1.6 a1, 특히 바람직하게는 a2 = 0.8~1.2 a1이 되도록 구성할 수 있다.
즉, 두께 비는 a2 = 0.5 a1 내지 2.0 a1, 바람직하게는 a2 = 0.7 a1 내지 1.6 a1, 특히 바람직하게 a2 = 0.8 a1 내지 1.2 a1이 되도록 구성될 수 있다.
또한, 냉각 구조(30)는 베이스 몸체 영역(B1)과 립 영역(S1)을 구비한다. ㄹ립 영역(S1)은 바람직하게는 베이스 몸체 영역(B!)에서 수직으로 돌출하는 립 또는 핀에 의해 형성되는 반면, 베이스 몸체 영역(B1)은 특히 고체 영역 또는 비 구조화 몸체를 형성한다. 바람직하게는 베이스 영역(B1)과 립 영역(S1)은 일체로 형성된다. 립 영역 두께(SD)와 베이스 몸체 두께(BD) 사이의 비율은 1.2 내지 6 사이, 바람직하게는 1.4 내지 3 사이, 보다 바람직하게는 1.6 내지 2.5 사이의 값이다. 또한, 냉각 구조 두께(KD), 특히 효과적인 냉각 구조 두께(d30.E)는 층간 두께(b)의 크기의 0.03 내지 1배, 바람직하게는 0.1 내지 0.5배 및 특히 바람직하게는 0.15 배 내지 0.3배이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기 요소용 캐리어 기판(1)을 개략적으로 도시한 단면도이다. 캐리어 기판(1)은 본질적으로 도 1과 동일하다. 도 1에 도시된 실시예와 대조적으로, 접촉 요소(16)는 중간층(15) 상에 제공된다. 상기 접촉 요소(16)는 캐리어 기판(1)상의 기생 유도 효과를 감소시키고 이에 따라 중간층(15)에 전류를 유도하기 위해 전압을 인가하도록 중간 요소(15)의 직접 접촉을 허용한다. 또한, 캐리어 기판(1)은 구성 요소 측면(4)상의 하우징 부분(40)에 의해 둘러싸여진다. 특히 이것은 캐스트 하우징 부분(40)이다. 접촉 요소(16)는 제 1 층(10)상의 전도성 경로(12)와 접촉하도록 제공된다. 제 1 층(10)과 중간층(15)의 전도성 경로에 전압을 인가하기 위해, 중간 층(15)의 접촉 요소(16)와 제 1 층(10)의 상부가 하우징 부분(40)을 통해 안내된다. 상기 접촉 요소(16)는 바람직하게 하우징 부분 벽의 동일한 측면 상의 하우징 부분(40)으로부터 돌출한다.
도시된 실시 예에서, 캐리어 기판(1)은 바람직하게는 냉각 구조(30)에 클립핑된 쉘 요소(50), 특히 플라스틱 함유 쉘 요소(50)를 포함하여 작동시 냉각액이 유동 방향을 따라 이송되는 유체 채널(32)을 형성한다. 냉각 구조(30)와 쉘 요소(50) 사이의 연결을 밀봉하기 위해, 쉘 요소(50)의 대응하는 리세스 내에 매설된 밀봉 요소(31)가 제공된다. 캐리어 기판(1)의 냉각측면(5)상에 배치된 냉각 구조(30)의 니들 또는 핀은 작동 중에 냉각액으로 채워진 유체 채널(32) 내로 돌출한다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전기 요소(13)를 위한 캐리어 기판(1)을 개략적으로 도시한다. 캐리어 기판(1)은 도 2와 본질적으로 동일하다. 도 2의 캐리어 기판(1)의 특징에 부가하여, 여기서는 캐스트 하우징 부분(40)이 냉각 구조(30)로 냉각 측면(5)에서 플러싱된다. 이것은 냉각 구조상의 예를들어 쉘 요소(50)상의 캐리어 기판(1)을 단순히 위치시키거나 고정시키는 유리한 방법을 허용한다. 이는 캐리어 기판(1)이 특히 유연하게 사용될 수있게 한다. 상기 목적을 위해, 하나 이상의 에지 영역 내의 냉각 구조(30)가 언더컷 또는 리세스를 가져서 냉각 구조(30)가 제 1 층(10)에 수직으로 연장되는 방향을 따라 하우징 부분(40)과 확동하도록 제공된다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 전기 요소 캐리어 기판을 도시한다. 제 1 층, 제 2 층 및 금속 중간층의 치수를 정하기 위해, 캐리어 기판(1)은 실질적으로 제 1 기판(10'), 제 2 기판(20) 및 바람직하게는 사이에 위치한 가상 중간층(15')으로 나누어진다. 제 1 기판(10')은 층(d12, d10 및 d15.1)으로 형성되고, 제 2 기판은 층(d15.3, d20 및 d30)으로 형성된다. 치수를 정할 때, 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 열 기계적 대칭은 즉, 제 1 기판(10')과 제 2 기판(20')의 열팽창 계수(CTE)가 바람직하게는 예를 들어 +/- 20 또는 바람직하게는 ± 10%의 허용 오차 내에서 동일하거나 또는 적어도 유사해야 한다는 것을 목적으로 한다. 이것은 가능한 열역학적 응력을 줄이기 위해 필요하며 결과로 나타나는 편향 효과를 줄이기 위해 필요하다. 적층 된 복합 재료의 최종 열팽창 계수(CTE')는 대략 다음과 같이 계산된다:
Figure pct00008
여기서, 각 부분 기판은 구부러지거나 구부러지지 않는다고 가정한다. 이 가능한 굽힘은 양면의 금속화가 열기계학적으로 동일하거나 유사하다는 사실에 의해 방지될 수 있는데, 이는 예를 들어, 전체 표면 금속화의 경우 두 금속층이 동일하거나 적어도 유사하게 두꺼운 것을 의미한다. 결과는 바람직하게 d15.1 = d12 및 d15.3 = d30E이다.
이것은 제 1 기판에 적용된다.
Figure pct00009
및 제 2 기판에 적용된다.:
Figure pct00010
여기서 d30E는 냉각 구조(30)의 열 기계적학으로 유효한 두께이다. 두께 d30E는 다음과 같은 냉각 구조(30)의 구조에 따라 달라진다.
Figure pct00011
캐리어 기판(1)의 개별 요소 또는 층의 치수를 정할 때 완전한 열 기계학적 대칭(CTE10'= CTE20')을 설정할 수 없는 경우, 온도에 따른 굽힘이 예상된다. 상술한 접근법은 캐리어 기판(1)을 가능한한 평평하게 만들기 위한 목적과 관련하여 열 기계학적 층 구조의 최적화를 주로 담당한다.
중간층(15)의 선택 및 결과적인 가상 중간층, 즉 중간 기판(15')의 두께(d15.2)의 선택은 캐리어 기판(1)의 일시적인 거동을 상당히 규정하는 요구되는 열 질량에 의존한다. 열 질량에 대한 관련 층 또는 층 두께는 냉각 구조(30)의 전도성 경로(d12), 중간층(d15) 및 베이스 두께(d30.1)의 두께 또는 층 두께이다. 그러므로 열 버퍼층의 두께는 dCu_th = d12 + d15 + d30.1이다. 열 버퍼층(dCu_th)의 두께는 1 내지 10mm 사이, 바람직하게는 1.1 내지 5mm 사이, 특히 바람직하게는 1.2 내지 3mm 사이이다. 대부분의 적용에서 최적의 굽힘(h)은 0이다. 굽힘(h)의 양은 200㎛ 이하, 바람직하게는 100㎛ 이하, 특히 바람직하게는 50㎛ 이하이다. 특히 트레이스(d12) 및 냉각 구조(30)의 각각의 구조화뿐만 아니라 구성 요소의 변부에서의 임의의 경계 효과가 고려될 수 없기 때문에 상기 모든 치수는 개략적으로 이해되어야 한다. 상기 모델은 재료의 순수한 탄성 동작을 기반으로 한다. 소성 변형의 영향은 여기서 부차적인 역할을 한다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 전기 요소용 캐리어 기판(1)을 도시한다. 캐리어 기판(1)은 벤딩(h)을 갖는 굽은 상태로 표현된다.
도 6은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 캐리어 기판(1)을 위한 냉각 구조(30)를 도시한다. 여기서, 리세스(8)는 냉각 구조(30)로 설계된 금속층 상에 배치되고, 제 2 층(20) 및/또는 제 1 층(10)과 마주하는 측면과 면하도록 제공된다. 특히, 리세스(8)는 주 연장 평면에 평행하게 연장되는 방향으로 제 1 층(10) 및/또는 제 2(20)에 대해 오프셋 배치된다. 냉각 구조(30)는 제 1층(10) 및/또는 제 2층(20)에 대해 돌출한다. 특히, 상기 리세스는 냉각 구조(30)의 열팽창이 캐리어 기판(1) 전체에 기계적 응력을 유발하는 것을 방지하기 위해 확장 조인트로 형성되는 것이 의도 된다.
1: 캐리어 기판 4: 구성요소 측면
5: 냉각 측면 8: 리세스
10: 제 1 층 10':제 1 기판
11: 비아 12: 전도성 경로
13: 전기 요소 16: 접촉 요소
15: 중간층 15': 중간 기판
20: 제 2층 20': 제 2 기판
30: 냉각 구조 31: 밀봉 요소
32: 유체 채널 40: 하우징 부분
50: 셸 요소 a1: 제 1 층 두께
a2: 제 2 층 두께 KD: 냉각 구조 두께
DB: 베이스 몸체 두께 SD: 립 영역 두께
B: 층간 두께 H: 굽힘
d12, d10 및 d15.1: 제 1 기판에 대한 층 두께의 제공
d15.3, d20 및 d30: 제 2 기판에 대한 층 두께의 제공
d15.2: 중간 기판의 층 두께
d30.E: 냉각 구조의 유효 층 두께
d30.1, d30.2: 냉각 구조에 대한 코팅 두께의 제공

Claims (15)

  1. 구성 요소 측면(4) 및 상기 구성요소 측면(4)에 대향하고 냉각 구조(30)를 갖는 냉각 측면(5)을 가지는 전기 요소(13)용 캐리어 기판(1)에 있어서,
    전기 절연을 위해 구성 요소 측면(4)과 마주하고 세라믹으로 제조되는 제 1 층(10) 및 캐리어 기판(1)을 보강하기 위해 냉각 측면(5)과 면하는 제 2 층(20),
    구성 요소 측면(4)으로부터 냉각 측(5)으로의 열전달을 위해 제 1 층(10)과 제 2 층(20) 사이에 배치되는 금속 중간층(15)을 포함하여 구성되고,
    상기 금속 중간층(15)은 제 1 층(10) 및/또는 제 2 층(20)보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 중간층(15)은 제 1 층(10) 및/또는 제 2 층(20)의 두께의 2.5 내지 100배 사이, 바람직하게는 3.5 내지 50배 사이, 보다 바람직하게는 10 내지 25배 사이 또는 심지어 20배인 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  3. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간층(15)은 1mm 내지 10mm 사이, 바람직하게는 1mm 내지 5mm 사이, 보다 바람직하게는 1.2mm 내지 3mm 사이 또는 심지어 실질적으로 3mm 두께인 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  4. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간층(15)은 1mm 이상, 바람직하게는 1.4mm 이상, 보다 바람직하게는 1.9mm 이상의 두께인 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  5. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 구조(30)는 베이스 몸체 영역(B1) 및 립 영역(S1)을 포함하며, 상기 립 영역 두께(SD)와 베이스 몸체 두께(BD) 사이의 비는 1.2 내지 6 사이, 바람직하게는 1.4 내지 3 사이, 보다 바람직하게는 1.6 내지 2.5 사이의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  6. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 구조 두께(KD), 특히 효과적인 냉각 구조 두께(d30.E)는 금속 중간층 두께(b)의 0.03 내지 1배, 바람직하게는 0.1 내지 0.5배 및 보다 바람직하게는 0.15 내지 0.3배인 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  7. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 중간층(15)은 단일 층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  8. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 기판(10') 및 제 2 기판 층(20')은 열 팽창에 대해, 특히 캐리어 기판(1)의 편향을 방지하기 위해 그들의 팽창 계수에 대해 서로 적응되는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  9. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 측면(5)상의 캐리어 기판(1)의 단부로서, 유체 냉각을 위해 제공된 냉각 구조(30), 특히 립, 니들 및/또는 마디 구조가 제 2 층(20)에 직접 인접하며, 상기 냉각 구조(30)는 부식 방지를 위해 부식 방지층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  10. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 층(10)은 비아(11)를 가지며, 및/또는 상기 중간층(15)은 다른 전도성 경로를 형성하기 위한 접촉 요소(16)를 가지는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  11. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 층(20)은 세라믹 및/또는 몰리브덴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  12. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 중간층(15), 상기 전도성 경로(12), 상기 접촉 요소(16), 상기 금속 연결 요소(13) 및/또는 상기 냉각 구조(30)가 내열 충격성을 증가시키기 위해 제 1 층 또는 제 2 층에 면하는 측면에 에칭된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  13. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐리어 기판(1)은 상기 구성요소 측면(4)을 둘러싸는, 특히 캐스트 부분으로 설계된 하우징 부분(40)을 가지고, 상기 하우징 부분(40)은 냉각 측면(5) 상에 배치된 냉각 구조(30)와 동일 높이로 끝나는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  14. 전항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 층(10), 제 2 층(20), 중간층(15) 및 냉각 구조(15) 및 바람직하게는 전도성 경로(12)는 공통 결합 방법에 의해, 특히 공통 방법 단계에서 동시에 결합되는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 기판(10')과 상기 제 2 기판(20')의 열 팽창 계수는 서로 적응되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
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