TW200849518A - Electronic component module and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
200849518 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種電子組件模組,具有:至少一多層式 陶瓷電路載體;以及一冷卻裝置,其具有至少一冷卻體。 此外,本發明亦涉及此種電子組件模組之製造方法。 【先前技術】 具有多層式電路載體之電子組件模組已爲人所知,其 例如可藉由低溫共燒陶瓷(LTCC)來製成,這是一種由多個 單一層來製造陶瓷式電路載體用的有效率的技術。爲了形 成電性通孔,未燒結的陶瓷生胚薄片藉由沖製而設有開 口,各開口中以導電性的糊塡入且各箔在其表面上以絲網 印刷法而設有平坦的導線結構。眾多的單一層最後可互相 形成積層且在較低的溫度下燒結。此種過程可提供多層埋 入式佈局結構,其可用於被動式積體電路元件中。此外, 可設計多種佈局結構,其具有很良好的高頻特性,可氣密 地密封著且具有良好的耐熱性。藉由這些特性,則LTCC 技術適合用在不利的環境中,例如,可用於行動無線電和 雷達領域的高頻技術的感測器中,且亦可用在電力電子元 件中,例如,可用在車輛電子元件,傳動器和馬達控制器 中。然而,熱學上要求較高的各種應用通常會受到上述材 料之較差的導熱性所限制,上述材料之導熱性典型上是2 W/m K。主動式半導體元件通常是表面安裝式構件且是上 述L T C C -模組的一部份,就此種主動式半導體元件而言, 只將L T C C -基板安裝在一冷卻體上是不夠的。如j . 200849518 S chulz-Harder e t al. : ’’Micro channel water cooled power modules”,page 1 to 6,PCIM 2000 Nuernberg 中所述,特別 是將L T C C基板焊接或黏合在一冷卻體上時是不夠的。 在標準製程中,LTCC陶瓷可與銀金屬層相容。LTCC-技術用的一般解法因此是將熱通孔(Vi as)予以整合。熱通孔 是垂直的穿孔,其中以含銀的導電糊塡入且主要是用來散 熱。以此種方式,則可達成20 W/m K之平均導熱率。在與 含有銀的箔相組合時,此平均導熱率之値在垂直方向或水 、 平方向中可達90 W/m K和150 W/m K。這已揭示在Μ· A.
Zampino e t a 1. : “LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger’’, P r o c. Internet. Symp. on Microelectronics 2003, Internat. Microelectronics and Packaging Society (IM APS), 1 8.-20.1 1.2003,Boston, USA 中〇 另一種解法是將熱損耗較大的半導體積體電路(IC), 例如,功率放大器,直接在散熱件上安裝在L T C C電路板 之凹入區中。
此外,以塡滿液體的通道之整合爲主之解法亦已爲人 所知。因此,藉由熱容量較高的液體(例如,水)之對流來 進行冷卻,這例如已揭示在上述先前技術例如J . S c h u 1 z -Harder et al·: ’’Micro channel water cooled power modules’’ 以及其它文件例如 M. A. Zampino et al.: ’’Embedded heat pipes with MCM-CT Technology,,, Pr〇c· NEPCON West 1 99 8 Conference V o 1. 2,Reed Exhibition: Norwalk,C T 200849518 USA 1 998,page 777-785, Vol. 2,(Conf. Anaheim,1· -5.03.1 998) 中。 以上述方式而達成的解法在熱傳送時不是使用該冷卻 液體的熱容量而是使用相位轉移(t r a n s i t i ο η )時的潛熱。已 描述在上述先前技術例如 M. A. Zampino et al.: “LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger,, 以及 W. K. Jones e t a 1. : “Thermal management in low temperature cofire ceramic (LTCC) using high density thermal vi as and micro heat pipes/spreaders”,Pro c. Internet. S y mp. on Microelectronics 2002, Internet. Microelectronics and Packaging Society (IMAPS), 1 0.- 1 3.03.2002, Reno, USA 中。該些文件所述的” h e a t p i p e s ”依據先前技術例如可用來 冷卻緊密式電腦(例如,筆記型電腦)中的處理器。 除了上述適用於LTCC的方法之外,所謂直接之銅結 合(bond)過程亦適用於高燒結用的氧化鋁-陶瓷中且可廣泛 / 地進行加工,以便在1 1 〇〇 °C時使由已燒結的氧化鋁所構成 ^ 的電路載體直接與由銅所構成的冷卻箔相連接。這已描述 在 J. Schulz-Harder et a 1. : ’’Micro channel water cooled power modules” 和 J. Schulz-Harder et a 1. : “DBC substrate with integrated flat heat pipe”,EMPC 2005,The 15th European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition, 1 2. -15.06.2005, Bruegge, Belgien 中。 【發明內容】 本發明之目的是提供一種電子組件模組及其製造方 200849518 法,其中該高導熱性的基板可簡單、不昂貴地與多層之陶 瓷電路載體相連接,且使排熱性獲得改良。 上述目的藉由一種具有申請專利範圍第1項特徵的電 子組件模組及一種具有申請專利範圍第1 2項特徵的方法 來達成。 本發明的電子組件模組包括:至少一多層之陶瓷電路 載體;以及一冷卻裝置,其具有至少一冷卻體。在多層之 陶瓷電路載體和該冷卻裝置之間形成一種連接區以將該電 路載體與該冷卻裝置相連接。該連接區包括一至少在成份 上由金屬所形成的連接層和一種共晶區。特別是須形成該 連接區,以形成該至少在成份上由金屬所形成的連接層以 與一陶瓷材料(特別是該多層之陶瓷電路載體)相連接。藉 由此種構成,則可在電路載體和該冷卻裝置之間達成一種 機械上穩定的多層式連接區,其亦能以不昂貴的方式來製 成。 該共晶區較佳是配置在該連接層和金屬構成的冷卻裝 置之間。特別是在金屬構成的冷卻裝置中該共晶區可形成 一種特殊的連接。 較佳方式是使該連接區的整面形成在該電路載體和該 冷卻裝置之間。這樣可簡易、不昂貴地施加該連接區。然 而,該連接區亦可只以區域方式而形成在該電路載體和該 冷卻裝置之間。特別是可設置特殊之局部區,其上形成該 連接區。各局部區較佳是以下述方式來設定:特別是熱負 載之電子組件須與該連接區相鄰而配置在該電路載體中, 200849518 且可藉由該連接區和該冷卻裝置來達成較佳的排熱作用。 這是因爲該冷卻裝置較靠近各組件而配置著。 較佳情況是,金屬連接層至少以區域方式而施加在該 電路載體上。在該電路載體之各單一層與該冷卻裝置接合 之前,此金屬連接層以金屬糊的形式施加在該電路載體上 時特別有利。在該電路載體之各單一層接合的過程中,形 成該金屬糊以反應性地與陶瓷電路載體相連接時特別有 利。藉由此種方式,則在該電路載體之各單一層的接合過 程中可形成金屬連接層且因此可在該金屬糊和該陶瓷電路 載體之間形成穩定的連接。因此,在最後將該多層式電路 載體接合時之過程之後不須再進行”連接”之形成,而是至 少在時間上可與該過程相重疊且因此亦可在該過程之條件 下進行。於是可使製程大大地縮短且同時提高穩定性,另 外亦可使導熱性獲得改良。 該電路載體較佳是以陶瓷LTCC電路載體來形成,且 在LTCC過程中形成該連接層,以反應性地與LTCC電路 載體形成連接。 在一特別有利的方式中,在將多層式陶瓷電路載體之 各單一層予以連接的過程中,可產生該共晶區以反應性地 與該冷卻裝置形成連接。當電路載體以陶瓷LTCC電路載 體來形成且在將多層式陶瓷電路載體之各單一層予以連接 的L T C C -過程中可產生該共晶區時特別有利。陶瓷材料之 由於烘焙所造成的收縮因此可藉由與金屬中間層之連接而 被限制在垂直的尺寸上。於是,在與先前技術用來限制橫 200849518 向的收縮相比較時,電路載體可達成一種較佳的尺寸精確 性。可藉由橫向範圍之限制及/或適當的垂直層序列來考慮 金屬和陶瓷之不同的熱膨脹係數。 電路載體、該連接區和該冷卻裝置之間的連接較佳是 在溫度840°C和9 3 0 °C(特別是900°C)之間藉由一種燒結過 程來形成。此種連接因此較佳是在較低的燒結溫度9 0 0。C 時以下述方式來達成:多層式LTCC電路載體在與該冷卻 裝置之冷卻體接觸的接觸面上是以一種與LTCC相容之圖 樣來壓製,該圖樣在反應性金屬糊之過程中被整面選取或 以特定方式來選取。此種金屬糊例如可由金屬微粒(例如, 銀、金、鉑或鈀微粒)以及玻璃微粒和有機結合劑來組成。 玻璃成份可確保在該電路載體之有功能的LTCC層上的黏 合性。此外,該連接區亦可藉由共晶區來形成。該共晶區 特別是製作於冷卻體金屬之間。金屬連接層是一種至少具 有銀的LTCC絲網印刷糊時特別有利。 該冷卻體至少在一側上橫向地越過該電路載體之範 圍。除了橫向的冷卻性之外,該冷卻體之突出的此側上亦 可簡易地安裝著其它的組件模組及/或外殻。 藉由本發明的電子組件模組,則在不需額外的材料下 只藉由在金屬層和該組件模組之組件之間的金屬反應即可 在整面上達成材料的連接作用。於是,可達成一種最小可 能的熱阻。在不需移動式物質,相位邊界或相位過渡區之 情況下即可使該電子組件模組達成一種純被動式散熱。 當該電子組件模組具有多個陶瓷電路載體且各電路載 -10- 200849518 體之間形成多個冷卻裝置(特別是冷卻體)時,上述形式的 連接區特別有利。在此種形式中,由多個陶瓷電路載體形 成堆疊,電路載體之間具有積體式冷卻體。特別是在此種 複雜的系統中,藉由上述具有多個連接區的電子組件模 組,可使穩定性和功能性大大地獲得改良。此種複雜的系 統之製造亦可快很多且成本亦可大大地下降,此乃因形成 最後之整個連接區時基本上可與多層式電路載體之特定的 連接區同時形成。 此外,在陶瓷電路載體(特別是LTCC電路載體)中各埋 入式組件亦可有效地散熱。此處,例如鐵磁體和電阻可稱 爲組件。特別是亦可由於下述原因而具有其它優點:該冷 卻體亦可以積體箔來形成,特別是以銅箔來形成,且因此 亦可用作大電流的導體。 於是,同樣可達成尺寸上的相容性和最小化。 在本發明的電子組件模組的製造方法中,形成至少一 多層式陶瓷電路載體,且此多層式陶瓷電路載體與具有至 少一冷卻體的冷卻裝置相連接。此電路載體和該冷卻裝置 經由一連接區而相連接,該連接區是由一種至少在成份上 是由金屬所形成的連接層和一種共晶區來形成。該連接區 之至少二層式系統一方面可最佳化地連接至由第一材料所 形成的該電路載體,且另一方面亦可最佳化地連接至由第 二材料所形成的該冷卻裝置。此種連接除了具有穩定性以 外亦可不昂貴地被形成。 在電路載體施加至該冷卻裝置上之前,較佳是使該金 -11- 200849518 屬連接層形成在該電路載體上而成爲至少以區域、方式塗佈 之金屬糊。該共晶區較佳是形成在該金屬連接層和該冷卻 裝置之間。在電路載體、該連接層和該冷卻裝置之間形成 連接之期間中形成該共晶區時特別有利。該共晶區較佳是 由一種熔化溫度小於此製程溫度之材料化合物來形成,此 製程中電路載體、該連接層和該冷卻裝置互相連接。電路 載體、該連接層和該冷卻裝置較佳是在溫度 840°C和 9 3 0°C(特別是900° C)之間藉由燒結來互相連接。 當電路載體以陶瓷LTCC電路載體來形成,且在將陶 瓷電路板之各單一層予以連接之LTCC過程中產生該共晶 區以用來與該冷卻裝置形成反應性連接時特別有利。因 此,在陶瓷電路板之各單一層形成連接時亦可同時在其最 後的形式中產生該連接區,此時一方面形成該金屬連接層 以便在此過程中反應性地與該陶瓷電路載體形成連接,且 另一方面該共晶區在該過程中產生於該金屬連接層和該金 屬冷卻體之間。當該金屬糊且因此亦指該金屬連接層在成 份上是由銀所形成且具有微粒以及該冷卻體至少在成份上 是由銅所形成時特別有利。於是,在LTCC過程中可產生 共晶區以連接該陶瓷電路載體之各單一層,此時例如在一 種40%之銀成份下可形成一種共晶,其熔化溫度大約是 779。0。因此,在LTCC過程中在90(TC之有利的製程溫度 下可較容易地形成共晶。此外,亦可設置一種含有金微粒 的金屬糊以作爲金屬連接層,其形成一種金成份是4 3 . 5 % 之共晶且熔化溫度大約是8 8 9 ° C。 200849518 本發明以下將依據圖式來詳述。 【實施方式】 依據第1圖,電子組件模組1包括多層式陶瓷第一 LTCC電路載體2和多層式陶瓷第二LTCC電路載體3。此 二個電路載體2,3配置在一冷卻體4之相對的側面上,冷 卻體4配屬於一冷卻裝置。本實施例中,該冷卻體4因此 在該電子組件模組1中配置在該二個電路載體2,3之間。 冷卻體4在橫向(X方向)中由二側經由LTCC電路載體2, 3 之箪E圍而延伸。此外’在冷卻體4中形成鑽孔4 1和4 2 ’ 其用來與其它的組件或外殻形成固定作用,特別是以螺栓 來固定。 本實施例中,在上部的LTCC電路載體2和該由銅來 形成的冷卻體4之間形成一第一連接層5,其將該第一電 路載體2以機械性穩定的方式來與該冷卻體4相連接。以 相對應的方式,在該冷卻體4和第二LTCC電路載體3之 間同樣形成一種連接層6。此二個連接層5和6用來與掏 瓷L T C C電路載體2和3形成反應性的連接。這表示:在 將該電路載體2和3之個別的單一層相連接的L T C C過程 中,該連接層5和第一電路載體2之間、以及第二連接層 6和第二電路載體3之間亦可形成連接。 本實施例中,各連接層5和6分別以整面的形式形成 在該冷卻體4和個別的電路載體2,3之間。各連接層5和 6亦可個別地只以區域方式來形成。特別是各連接層5和6 亦可形成在一些位置上,這些位置上由於電子組件配置在 200849518 個別的電路載體2和3中而會產生大的熱量。藉由各連接 層5和6之此種以目標爲主的局部的形成方式,則可最佳 地達成散熱作用。此種散熱在本實施例中是在橫向中進行。 第1圖中,另外在金屬連接層5和該冷卻體4之間形 成第一共晶區7。又,第二共晶區8形成在第二金屬連接 層6和該冷卻體4之間。此二個共晶區7和8因此一方面 由金屬連接層5和該冷卻體4分別形成部份區域,且另一 方面由金屬連接層6和該冷卻體4來形成部份區域。 本實施例中,各金屬連接層5和6至少在成份上設有 銀微粒。該冷卻體4至少在成份上由銅所形成。於是,在 LTCC過程中形成共晶區7和8以用來連接各組件。 本實施例中,須製成圖1中所示的電子組件模組1, 使電路載體2和3之各單一層可與個別的電子組件和電性 導線一起產生。然後,一種與LTCC相容的金屬糊以整面 方式或以特別選取的圖樣而施加(特別是壓製)在電路載體 2和3之與該冷卻體4相面對的此側上。在下一 LTCC過程 中,電路載體2和3之個別的單一層互相連接,特別是互 相積層且然後進行燒結,隨後亦可產生個別的連接區,其 中第一連接區包括金屬連接層5和共晶區7,且第二連接 區包括金屬連接區6和共晶區8。電路載體2和3之燒結 是在90 0 °C時進行。此過程中亦形成連接區,此時會在連 接層5和該陶瓷電路載體2之間形成一種反應性的連接, 且在電路載體3和金屬連接層6之間形成一種反應性的連 接。此外,在LTCC過程中亦會在金屬連接層5和冷卻體4 -14- 200849518 之間產生一種反應性的連接,且因此形成一種共晶區7。 以相對應的方式,亦可形成共晶區8。 由於本實施例中所選取的材料’則銀銅系統可形成共 晶區7和8。第2圖中顯示此種銀銅系統之相位圖,其中 例如以40%之銀成份在大約779。0之熔合溫度時形成一種 共晶’因此可在900°C之製程溫度下在燒結時容易地形成 該共晶。 【圖式簡單說明】 第1圖 本發明之電子組件模組之一實施例的切面 圖。 第2圖 該電子組件之連接區之共晶區用的銀銅系統 之相位圖。 【主要元 件之 符 號 說 明 ] 1 電 子 組 件 模 組 2 多 層 式 陶 瓷 第- “ L T C C電路 載 體 3 多 層 式 陶 瓷 第二 :L T C C電路 載 體 4 冷 卻 體 5、6 連 接 層 7 > 8 共 晶 區 41、4 2 鑽 孔
Claims (1)
- 200849518 十、申請專利範圍: 1 .一種電子組件模組,包括:至少一陶瓷電路載體(2,3); 以及一冷卻裝置,其具有至少一冷卻體(4), 此電子組件模組之特徵爲:在陶瓷電路載體(2 ’ 3 ) 和該冷卻裝置(4)之間形成一種連接區(5,7 ; 6,8)以將 該電路載體(2,3)與該冷卻裝置(4)相連接,該連接區(5 ’ 7 ; 6,8)包括一至少在成份上由金屬所形成的連接層(5 ’ 6)和一種共晶區(7,8)。 (- " 2 .如申請專利範圍第1項之電子組件模組,其中該共晶區 (7, 8)配置在該連接層(5, 6)和該金屬式冷卻裝置(4)之間。 3 .如申請專利範圍第1或2項之電子組件模組,其中該連 接區(5,7; 6,8)整面形成在該電路載體(2,3)和該冷卻 裝置(4)之間。 4 .如申請專利範圍第1至3項中任一項之電子組件模組, 其中該金屬連接層(5,6)以金屬糊的形式在該電路載體之 各單一層與該冷卻裝置相接合之前至少以區域方式施加 在該電路載體(2,3)上。 5 .如申請專利範圍第1至4項中任一項之電子組件模組, 其中該電路載體形成陶瓷LTCC電路載體(2,3)。 6 ·如申請專利範圍第1至5項中任一項之電子組件模組, 其中該電路載體形成陶瓷LTCC電路載體(2,3)且在將該 陶瓷電路載體(2, 3)之單一層予以連接之LTCC過程中可 產生共晶區(7,8)以與該冷卻裝置(4)形成反應性的連接。 7 .如申請專利範圍第1至6項中任一項之電子組件模組, -16- 200849518 其中該冷卻體(4)至少在一側上橫向地經由該電路載體 (2,3 )之範圍而延伸。 8 ·如申g靑專利範圍弟1至7項中任一'項之電子組件模組, 其中該電路載體(2,3)、該連接區(5,7 ; 6,8)和該冷卻 裝置(4 )之間的連接是在溫度介於8 4 0。C和9 3 0。C (特別是; 900°C)之間時藉由燒結過程而形成。 9 · 一種電子組件模組(1 )之製造方法,此電子組件模組中形 成至少一多層式陶瓷電路載體(2,3 ),且此電子組件模組 具有一冷卻裝置,其具有至少一冷卻體(4), 此製造方法之特徵爲:該電路載體(2,3 )和該冷卻裝 置(4)藉由一種連接區(5,7; 6,8)而相連接,該連接區 (5,7 ; 6,8)藉由一種用來與一陶瓷材料形成連接且至少 在成份上由金屬所形成的連接層(5,6)和一種共晶區(7, 8)所形成。 1 0 ·如申請專利範圍第9項之製造方法,其中在將該電路載 體(2,3)之各單一層予以連接的過程之前,一種金屬糊施 加在該電路載體(2,3 )及/或該冷卻裝置(4)上,且因此在 將該電路載體(2, 3)之各單一層予以連接的過程中形成該 金屬連接層(5,6)。 1 1 .如申請專利範圍第9或1 0項之製造方法,其中該共晶區 (7,8)形成在該金屬連接層(5,6)和該冷卻裝置(4)之間。 1 2 ·如申請專利範圍第9至1 1項中任一項之製造方法,其中 該共晶區(7,8)在連接期間形成在電路載體(2,3)、該連 接層(5,6)和該冷卻裝置(4)之間。 200849518 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之製造方法,其中該共晶區(7, 8)在較一製程溫度還低之熔合溫度時藉由一種材料連接 來形成,該製程溫度中該電路載體(2,3 )、該連接層(5, 6)和該冷卻裝置(4)互相連接。 1 4 ·如申請專利範圍第1 2或1 3項之製造方法,其中該電路 載體(2,3)、該連接層(5,6)和該冷卻裝置(4)在溫度介於 840°C和93 0°C(特別是900°C)之間藉由燒結而相連接。 1 5 ·如申請專利範圍第9至1 4項中任一項之製造方法,其中 該電路載體以陶瓷LTCC電路載體(2,3)來形成,且在將 該連接層(5,6)和該冷卻裝置(4)之間的陶瓷電路載體 (2,3)之各單一層予以連接之 LTCC過程中產生共晶區 (7,8)以與該冷卻裝置(4)形成反應性的連接。 1 6 .如申請專利範圍第1 2至1 5項中任一項之製造方法,其 中該連接層(5,6)至少在成份上是由玻璃所形成,特別是 藉由絲網印刷法來施加而成且然後進行溫度處理。
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