由电子衬底和包括反应焊料的层布置组成的叠层复合结构的制作方法
【专利摘要】一种叠层复合结构(10)，包括至少一个电子衬底(11)和一个层组合(20、30)，后者由至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层(20)和由一个与该第一层(20)邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层(30)组成，其中第一和第二层的熔点温度不同，并且其中在对层组合(20、30)进行热处理后在第一层和第二层之间构成一个具有至少一种金属间相的区域(40)，其中第一层(20)或者第二层(30)由一种反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物组成，其中AgX、CuX或者NiX-合金的组分X从由下述元素组成的组中选择：B、Mg、A1、Si、Ca、Se、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Au、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Dy、Sm、Er、Tb、Eu、Ho、Tm、Yb和Lu，并且其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的熔点温度高于基焊料的熔点温度。本发明还涉及一种用于构成叠层复合结构(10)的方法以及一种包含本发明的叠层复合结构(10)的电路布置。
【专利说明】由电子衬底和包括反应焊料的层布置组成的叠层复合结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及根据权利要求1的发明主题的、包括一个层组合和一个电子衬底的叠层复合结构，以及涉及根据权利要求15的发明主题的、包括一个叠层复合结构的电路布置。此外本发明涉及根据权利要求13的发明主题的用于构造叠层复合结构的方法。
【背景技术】
[0002]功率电子器件在许多【技术领域】中使用。正是在其中流过大电流的电气或者电子设备中功率电子器件的使用是不可避免的。功率电子器件中需要的电流强度导致包含的电气或者电子部件的热负荷。其它热负荷由于在具有相对于室温显著升高的和必要时甚至总是变化的温度的运行地点使用这种电气的或者电子的设备而产生。汽车领域中的控制设备为此可以作为例子，它们直接设置在发动机舱内。
[0003]在功率半导体或者集成电路(1C,英语:integrated circuit)相互之间以及在载体衬底上的许多连接当今已经特别地遭受持续的直到175摄氏度的温度负荷。
[0004]例如在载体衬底上的电气或者电子部件的连接通常通过一个连接层实现。作为一种这样的连接层公知的是钎焊连接。
[0005]多数使用基于锡-银合金或者锡-银-铜合金的软焊料。然而，特别在使用温度接近熔点温度的情况下这种连接层显现出波动的电气的或者机械的特性，这可能导致组件故障。
[0006]含铅的焊料连接可以在比软焊料连接更高的使用温度条件下使用。然而含铅的焊料连接出于环保的理由由于法律规定在其许可的技术使用方面强烈受限。
[0007]另外可选的方案是为在升高的温度或者高温、特别是超过200摄氏度时的使用提供无铅的硬焊料。无铅的硬焊料一般具有大于200°C的熔点。然而在为构造连接层使用硬焊料的情况下，仅很少电气或者电子部件能够作为可承受熔化硬焊料时的高温的结合对象。
[0008]低温连接技术(NTV)指出一种办法，其中可以在已经比熔点低很多的温度下形成含银的烧结化合物。代替焊料在这里使用膏剂，它包含化学上稳定的银粒子和/或银化合物。在烧结条件下、特别在施加温度和压力的情况下，稳定的成分在此被烧尽和/或银化合物被分裂，使得银粒子或者被释放的银原子互相接触以及与结合对象的材料直接接触。通过互扩散和/或扩散能够由此在已经比熔点温度低很多的温度条件下构成一种高温稳定的化合物。然而在要求温度变化时在这种化合物的情况下可能在半导体结构组件或者甚至在载体衬底内出现热机械的张力甚至形成裂缝。
[0009]在DE102009002065A1中描述了一种焊料，它包括一种具有低于450°C的熔点的软焊料，其内嵌入一定数目的粒子，这些粒子由金属间相构成，或者用金属间相涂敷。该焊料能够平整地将功率半导体模块的金属化的陶瓷衬底与基板连接。为建立基板和陶瓷衬底之间的焊料连接该焊料被加热到至少330°C的温度。
【发明内容】
句部件向其它结构部件或者衬底的导电和/能够保证结合对象的不同的热膨胀系数的在热处理期间特别地促进构成一种大的金全替换至少焊料层。
1&1、八呂、八 11、&181、311附、&1211、
4、或者由它们的混合物构成的三组分的、四-或者附父-合金以在111111和50 4 111之间的
样的大小，其中试样的50体积％具有较小直径(所谓的4。值)。颗粒大小的确定例I据116理论、通过例如显微镜的其它光学
/或第二层不包含铅。:的层中包含小于0.05重量％的铅，特别是属间相。
[0024]在另一种实施方式的范围内，并非由反应焊料构成的第一层或第二层是Ag-烧结层。
[0025]Ag-烧结层作为连接层有利地在微电子器件中把非常好的导热性和在平衡要连接的电子结构部件和衬底的不同的热膨胀系数方面的杰出的特性与良好的加工性集于一体。
[0026]在另一种实施方式的范围内，金属间相的区域包括第一层或者第二层。
[0027]以这种方式能够提供电子衬底的热和电的连接的进一步改善的特性曲线。金属间相大多数情况下由于其很高的序列性(Ordnungsgrad)表示出高的热和电的传导性。由此能够有利地在具有高的温度负荷的设备中使用。同样可以在相对于连接层具有大电流密度的设备中使用。另外，根据本发明金属间相大多数情况下具有小的热膨胀系数，这在连接层组合中可以非常有利地用于能够持续可靠地建立例如功率结构部件的半导体和散热器的材料的强烈不同的热膨胀系数的匹配，而不导致产生破裂或者其它的损坏位置，这可能引起整个电子结构部件的故障。
[0028]在另一种实施方式的范围内，金属间相具有比第一层或者第二层高的熔点。
[0029]由此有利地在下面那样的设备中也能够使用电子的结构部件:它们具有高温度负荷的使用场地，例如用于发动机或者传动装置的控制设备，或者用于发电机的传感器或者二极管。在此处，通常的运行温度可能是在175°C的范围内，在这种运行温度下可以有利地使用具有根据本实施方式的叠层复合结构的电子结构部件。然而同时，所选的处理温度不必太高，使得在制造电子的叠层复合结构时能够调整在较低的温度，这样节能、资源优化且成本低。
[0030]在另一种实施方式的范围内，在热处理期间构成的金属间相的区域部分地或者完
全地替换第一层和/或第二层。
[0031]以这种方式能够提供电子衬底的热和电的连接的进一步改善的特性曲线。由于很高的序列性，金属间相大多数情况下表示出高的热和电的传导性。由此能够有利地在具有持续高的温度负荷的设备中、在150°C或者更高的范围内使用。同时也可以在这样的设备中使用:它们相对于连接层具有大的电流密度并且由此提供连接层的相应的高电流承载性。另外，根据本发明的金属间相具有极小的热膨胀系数，这在连接层组合中可以非常有利地用于能够持续可靠地建立要连接的电气和电子的部件、例如功率结构部件的半导体和散热器的材料的强烈不同的热膨胀系数的匹配，而不导致产生破裂或者其它的损坏位置，这可能引起整个电子结构部件的故障。
[0032]在另一种实施方式的范围内，第一层和/或第二层接触至少一个电子衬底。
[0033]以这种方式根据本发明也能够在微电子工业中提供半成品，其中电子衬底与第一层、例如与银烧结层接触，或者与第二层、例如与由反应焊料构成的层接触，其也可完全地通过金属间相替换。由此既能够提高制造中的自动化程度，也能够改善对于事先确定的质量标准和容差的遵守。
[0034]在另一种实施方式的范围内，由反应焊料构成的层在连接到至少一个衬底上之前就已经渗入优选由Ag-烧结层构成的另一层内。
[0035]术语“渗入”特别地可以理解为，反应焊料至少部分地布置在设置在Ag-烧结层内的孔或者在其它层内的类似的空隙内。通过热处理可以在层之间至少部分地构成金属间相。特别是通过两个层的金属或者合金的互扩散构成金属间相的该过程，可以通过其它层中反应焊料的事先的渗入被简化和补足，使得与仅纯粹相邻地设置的层相比能够实现更短的热处理或者构成金属间相的更大的区域。
[0036]为优化渗入，特别使反应焊料的AgX-、CuX_或者NiX-合金的平均的颗粒大小有利地与在另一个要渗入的层内的孔大小或者存在的空隙的大小匹配。
[0037]换句话说，本发明的层组合也可以以这样的方式构造，即包围反应焊料的层以至少部分地，优选全部地，渗入一个具有孔或者其它的空隙或者空穴的其它层内的方式存在。
[0038]在另一种实施方式的范围内，至少一个电子衬底是电路载体，特别是DBC衬底、LTCC衬底、引线框、印刷电路板、或者有源的结构元件，特别是功率半导体或者1C、或者载体衬底或者散热器。
[0039]关于另外的优点和特征，对此可明确地参照与本发明的叠层复合结构、本发明的方法的产品、本发明的电路布置以及附图相关的说明。
[0040]本发明的另外的主题是用于构造一种叠层复合结构、特别是本发明的叠层复合结构的方法，包括下面的步骤:
[0041]-构造一个叠层复合结构毛坯，其包括一个层组合和至少一个电子衬底，其中该层组合包括至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层和一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层，其中第一层和第二层的熔点温度不同，并且其中该第一层或者第二层由反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX-XuX-或者NiX-合金的混合物组成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的熔点温度高于基焊料的熔点温度，
[0042]-对层组合或者叠层复合结构毛坯进行热处理，由此实现在第一层和/或第二层中的金属和/或金属合金的互扩散，
[0043]-构成在第一层和第二层之间包括至少一种金属间相区域的叠层复合结构。
[0044]在本发明的方法的一种实施方式的范围内，在超过反应焊料中的基焊料的熔点温度的温度条件下进行热处理。
[0045]由此优选地保证了，由反应焊料和其它层构成一个尽可能大的金属间相的区域，使得能够优化地实现上面已经说明的在电子衬底的电和热的连接的特性曲线中的优点。
[0046]本发明的另一个主题是电路布置，特别是用于汽车系列产品和光伏工业中的电子的电路布置，其包含根据上述发明的叠层复合结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]通过附图图解并且在下面的说明中解释本发明的主题的另外的优点和有利的结构。这里应该注意，附图仅具有说明的特性，不应该认为以任何方式限制本发明。附图中:
[0048]图1示出了本发明的叠层复合结构的示意的横截面，
[0049]图2示出了叠层复合结构毛坯的示意的横截面。
【具体实施方式】
[0050]图1示出了一个叠层复合结构10，其包括至少一个电子衬底11和一个层组合20、30，该层组合20、30由至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层20和一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层30组成。第一层20和第二-金属合金构成的第一层20和一个与该第的第二层30组成。通过对叠层复合结构毛层内的金属和/或金属合金的互扩散并且-种金属间相的区域40并且形成在图1中-的热处理例如可以在超过反应焊料中的基
【权利要求】
1.叠层复合结构(10)，包括至少一个电子衬底(11)和一个层组合(20、30)，所述层组合由至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层(20)和由一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层组成，其中第一层和第二层的熔点温度不同，并且其中在对层组合(20、30)进行热处理后在第一层和第二层之间构成一个具有至少一种金属间相的区域(40)， 其特征在于， 第一层或者第二层由反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物组成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的组分X从由下述元素组成的组中选择:B、Mg、Al、S1、Ca、Se、T1、V、Cr、Mn、Fe、Co、N1、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Au、B1、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Dy、Sm、Er、Tb、Eu、Ho、Tm、Yb 和 Lu，并且其中 Agx-、CuX-或者NiX-合金的熔点温度高于基焊料的熔点温度。
2.根据权利要求1所述的叠层复合结构(10),其特征在于,基焊料从SnCu、SnAg、SnAu、SnB1、SnN1、SnZn> Snln、CuN1、CuAg> AgB1、ZnAl、Bi In、InAg、InGa、或者由它们的混合物构成的三组分的、四组分的或者更多组分的合金的组中选择。
3.根据权利要求1或2之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，AgX-、CuX-或者NiX-合金以在Inm和50 μ m之间的平均的颗粒大小在与基焊料的混合物中存在。
4.根据权利要求1、2或3之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，第一层(20)和/或第二层(30)不包含铅。
5.根据上述权利要求之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，由反应焊料构成的层的Ag、Cu或者Ni的份额在20重量％和80重量`％之间。
6.根据上述权利要求之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，反应焊料的处理温度低于500°C。
7.根据上述权利要求之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，并非由反应焊料构成的第一层(20)或者第二层(30)是Ag-烧结层。
8.根据上述权利要求之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，金属间相的区域(40)包括第一层(20)或者第二层(30)。
9.根据上述权利要求之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，金属间相(40)具有比第一层或者第二层高的熔点。
10.根据上述权利要求之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，在热处理期间构成的金属间相的区域(40)部分地或者完全地替换第一层(20)和/或第二层(30)。
11.根据上述权利要求之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，第一层(20)和/或第二层(30)接触至少一个电子衬底(11)。
12.根据上述权利要求之一所述的叠层复合结构(10)，其特征在于，至少一个电子衬底(11)是电路载体，特别是DBC衬底、LTCC衬底、引线框、印刷电路板、或者有源的结构元件，特别是功率半导体或者1C、或者载体衬底或者散热器。
13.用于构造特别是根据上述权利要求1到12之一所述的叠层复合结构(10)的方法，包括下面的步骤: -构造一个叠层复合结构毛坯(10a)，该叠层复合结构毛坯包括一个层组合(20、30)和至少一个电子衬底(11)，其中该层组合(20、30)包括至少一个第一金属和/或第一金属合金构成的第一层(20)和一个与该第一层邻接的、第二金属和/或第二金属合金构成的第二层(30)，其中第一层(20)和第二层(30)的熔点温度不同，并且其中该第一层(20)或者第二层(30)由反应焊料构成，该反应焊料由基焊料与AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物组成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的熔点温度高于基焊料的熔点温度， -对层组合(20、30)或者叠层复合结构毛坯(IOa)进行热处理，由此实现在第一层(20)和/或第二层(30)中的金属和/或金属合金的互扩散， -构成在第一层和第二层之间包括至少一种金属间相区域(40)的叠层复合结构(10)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在超过反应焊料中的基焊料的熔点温度的温度条件下进行热处理。
15.电路布置，特别是用于汽车批量生产和光伏工业中的电子电路布置的电路布置，包括根据权利要求1到12之一所述的叠层复合结构(10)。
【文档编号】B23K35/26GK103842121SQ201280047510
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年9月21日 优先权日:2011年9月30日
【发明者】M·古耶诺特, A·法伊奥克, C·弗吕, M·京特, F·韦茨尔, M·里特纳, B·霍恩贝格尔, R·霍尔茨, A·菲克斯, T·卡利希 申请人:罗伯特·博世有限公司