由電子襯底和包括反應(yīng)焊料的層布置組成的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，包括至少一個電子襯底(11)和一個層組合(20、30)，后者由至少一個第一金屬和/或第一金屬合金構(gòu)成的第一層(20)和由一個與該第一層(20)鄰接的、第二金屬和/或第二金屬合金構(gòu)成的第二層(30)組成，其中第一和第二層的熔點(diǎn)溫度不同，并且其中在對層組合(20、30)進(jìn)行熱處理后在第一層和第二層之間構(gòu)成一個具有至少一種金屬間相的區(qū)域(40)，其中第一層(20)或者第二層(30)由一種反應(yīng)焊料構(gòu)成，該反應(yīng)焊料由基焊料與AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物組成，其中AgX、CuX或者NiX-合金的組分X從由下述元素組成的組中選擇：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-合金的熔點(diǎn)溫度高于基焊料的熔點(diǎn)溫度。本發(fā)明還涉及一種用于構(gòu)成疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)的方法以及一種包含本發(fā)明的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)的電路布置。
【專利說明】由電子襯底和包括反應(yīng)焊料的層布置組成的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明主題的、包括一個層組合和一個電子襯底的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)，以及涉及根據(jù)權(quán)利要求15的發(fā)明主題的、包括一個疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路布置。此外本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求13的發(fā)明主題的用于構(gòu)造疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]功率電子器件在許多【技術(shù)領(lǐng)域】中使用。正是在其中流過大電流的電氣或者電子設(shè)備中功率電子器件的使用是不可避免的。功率電子器件中需要的電流強(qiáng)度導(dǎo)致包含的電氣或者電子部件的熱負(fù)荷。其它熱負(fù)荷由于在具有相對于室溫顯著升高的和必要時甚至總是變化的溫度的運(yùn)行地點(diǎn)使用這種電氣的或者電子的設(shè)備而產(chǎn)生。汽車領(lǐng)域中的控制設(shè)備為此可以作為例子，它們直接設(shè)置在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)。
[0003]在功率半導(dǎo)體或者集成電路(1C,英語:integrated circuit)相互之間以及在載體襯底上的許多連接當(dāng)今已經(jīng)特別地遭受持續(xù)的直到175攝氏度的溫度負(fù)荷。
[0004]例如在載體襯底上的電氣或者電子部件的連接通常通過一個連接層實(shí)現(xiàn)。作為一種這樣的連接層公知的是釬焊連接。
[0005]多數(shù)使用基于錫-銀合金或者錫-銀-銅合金的軟焊料。然而，特別在使用溫度接近熔點(diǎn)溫度的情況下這種連接層顯現(xiàn)出波動的電氣的或者機(jī)械的特性，這可能導(dǎo)致組件故障。
[0006]含鉛的焊料連接可以在比軟焊料連接更高的使用溫度條件下使用。然而含鉛的焊料連接出于環(huán)保的理由由于法律規(guī)定在其許可的技術(shù)使用方面強(qiáng)烈受限。
[0007]另外可選的方案是為在升高的溫度或者高溫、特別是超過200攝氏度時的使用提供無鉛的硬焊料。無鉛的硬焊料一般具有大于200°C的熔點(diǎn)。然而在為構(gòu)造連接層使用硬焊料的情況下，僅很少電氣或者電子部件能夠作為可承受熔化硬焊料時的高溫的結(jié)合對象。
[0008]低溫連接技術(shù)(NTV)指出一種辦法，其中可以在已經(jīng)比熔點(diǎn)低很多的溫度下形成含銀的燒結(jié)化合物。代替焊料在這里使用膏劑，它包含化學(xué)上穩(wěn)定的銀粒子和/或銀化合物。在燒結(jié)條件下、特別在施加溫度和壓力的情況下，穩(wěn)定的成分在此被燒盡和/或銀化合物被分裂，使得銀粒子或者被釋放的銀原子互相接觸以及與結(jié)合對象的材料直接接觸。通過互擴(kuò)散和/或擴(kuò)散能夠由此在已經(jīng)比熔點(diǎn)溫度低很多的溫度條件下構(gòu)成一種高溫穩(wěn)定的化合物。然而在要求溫度變化時在這種化合物的情況下可能在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)組件或者甚至在載體襯底內(nèi)出現(xiàn)熱機(jī)械的張力甚至形成裂縫。
[0009]在DE102009002065A1中描述了一種焊料，它包括一種具有低于450°C的熔點(diǎn)的軟焊料，其內(nèi)嵌入一定數(shù)目的粒子，這些粒子由金屬間相構(gòu)成，或者用金屬間相涂敷。該焊料能夠平整地將功率半導(dǎo)體模塊的金屬化的陶瓷襯底與基板連接。為建立基板和陶瓷襯底之間的焊料連接該焊料被加熱到至少330°C的溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】
句部件向其它結(jié)構(gòu)部件或者襯底的導(dǎo)電和/能夠保證結(jié)合對象的不同的熱膨脹系數(shù)的在熱處理期間特別地促進(jìn)構(gòu)成一種大的金全替換至少焊料層。
1&1、八呂、八 11、&181、311附、&1211、
4、或者由它們的混合物構(gòu)成的三組分的、四-或者附父-合金以在111111和50 4 111之間的
樣的大小，其中試樣的50體積％具有較小直徑(所謂的4。值)。顆粒大小的確定例I據(jù)116理論、通過例如顯微鏡的其它光學(xué)
/或第二層不包含鉛。:的層中包含小于0.05重量％的鉛，特別是屬間相。
[0024]在另一種實(shí)施方式的范圍內(nèi)，并非由反應(yīng)焊料構(gòu)成的第一層或第二層是Ag-燒結(jié)層。
[0025]Ag-燒結(jié)層作為連接層有利地在微電子器件中把非常好的導(dǎo)熱性和在平衡要連接的電子結(jié)構(gòu)部件和襯底的不同的熱膨脹系數(shù)方面的杰出的特性與良好的加工性集于一體。
[0026]在另一種實(shí)施方式的范圍內(nèi)，金屬間相的區(qū)域包括第一層或者第二層。
[0027]以這種方式能夠提供電子襯底的熱和電的連接的進(jìn)一步改善的特性曲線。金屬間相大多數(shù)情況下由于其很高的序列性(Ordnungsgrad)表示出高的熱和電的傳導(dǎo)性。由此能夠有利地在具有高的溫度負(fù)荷的設(shè)備中使用。同樣可以在相對于連接層具有大電流密度的設(shè)備中使用。另外，根據(jù)本發(fā)明金屬間相大多數(shù)情況下具有小的熱膨脹系數(shù)，這在連接層組合中可以非常有利地用于能夠持續(xù)可靠地建立例如功率結(jié)構(gòu)部件的半導(dǎo)體和散熱器的材料的強(qiáng)烈不同的熱膨脹系數(shù)的匹配，而不導(dǎo)致產(chǎn)生破裂或者其它的損壞位置，這可能引起整個電子結(jié)構(gòu)部件的故障。
[0028]在另一種實(shí)施方式的范圍內(nèi)，金屬間相具有比第一層或者第二層高的熔點(diǎn)。
[0029]由此有利地在下面那樣的設(shè)備中也能夠使用電子的結(jié)構(gòu)部件:它們具有高溫度負(fù)荷的使用場地，例如用于發(fā)動機(jī)或者傳動裝置的控制設(shè)備，或者用于發(fā)電機(jī)的傳感器或者二極管。在此處，通常的運(yùn)行溫度可能是在175°C的范圍內(nèi)，在這種運(yùn)行溫度下可以有利地使用具有根據(jù)本實(shí)施方式的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)部件。然而同時，所選的處理溫度不必太高，使得在制造電子的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)時能夠調(diào)整在較低的溫度，這樣節(jié)能、資源優(yōu)化且成本低。
[0030]在另一種實(shí)施方式的范圍內(nèi)，在熱處理期間構(gòu)成的金屬間相的區(qū)域部分地或者完
全地替換第一層和/或第二層。
[0031]以這種方式能夠提供電子襯底的熱和電的連接的進(jìn)一步改善的特性曲線。由于很高的序列性，金屬間相大多數(shù)情況下表示出高的熱和電的傳導(dǎo)性。由此能夠有利地在具有持續(xù)高的溫度負(fù)荷的設(shè)備中、在150°C或者更高的范圍內(nèi)使用。同時也可以在這樣的設(shè)備中使用:它們相對于連接層具有大的電流密度并且由此提供連接層的相應(yīng)的高電流承載性。另外，根據(jù)本發(fā)明的金屬間相具有極小的熱膨脹系數(shù)，這在連接層組合中可以非常有利地用于能夠持續(xù)可靠地建立要連接的電氣和電子的部件、例如功率結(jié)構(gòu)部件的半導(dǎo)體和散熱器的材料的強(qiáng)烈不同的熱膨脹系數(shù)的匹配，而不導(dǎo)致產(chǎn)生破裂或者其它的損壞位置，這可能引起整個電子結(jié)構(gòu)部件的故障。
[0032]在另一種實(shí)施方式的范圍內(nèi)，第一層和/或第二層接觸至少一個電子襯底。
[0033]以這種方式根據(jù)本發(fā)明也能夠在微電子工業(yè)中提供半成品，其中電子襯底與第一層、例如與銀燒結(jié)層接觸，或者與第二層、例如與由反應(yīng)焊料構(gòu)成的層接觸，其也可完全地通過金屬間相替換。由此既能夠提高制造中的自動化程度，也能夠改善對于事先確定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和容差的遵守。
[0034]在另一種實(shí)施方式的范圍內(nèi)，由反應(yīng)焊料構(gòu)成的層在連接到至少一個襯底上之前就已經(jīng)滲入優(yōu)選由Ag-燒結(jié)層構(gòu)成的另一層內(nèi)。
[0035]術(shù)語“滲入”特別地可以理解為，反應(yīng)焊料至少部分地布置在設(shè)置在Ag-燒結(jié)層內(nèi)的孔或者在其它層內(nèi)的類似的空隙內(nèi)。通過熱處理可以在層之間至少部分地構(gòu)成金屬間相。特別是通過兩個層的金屬或者合金的互擴(kuò)散構(gòu)成金屬間相的該過程，可以通過其它層中反應(yīng)焊料的事先的滲入被簡化和補(bǔ)足，使得與僅純粹相鄰地設(shè)置的層相比能夠?qū)崿F(xiàn)更短的熱處理或者構(gòu)成金屬間相的更大的區(qū)域。
[0036]為優(yōu)化滲入，特別使反應(yīng)焊料的AgX-、CuX_或者NiX-合金的平均的顆粒大小有利地與在另一個要滲入的層內(nèi)的孔大小或者存在的空隙的大小匹配。
[0037]換句話說，本發(fā)明的層組合也可以以這樣的方式構(gòu)造，即包圍反應(yīng)焊料的層以至少部分地，優(yōu)選全部地，滲入一個具有孔或者其它的空隙或者空穴的其它層內(nèi)的方式存在。
[0038]在另一種實(shí)施方式的范圍內(nèi)，至少一個電子襯底是電路載體，特別是DBC襯底、LTCC襯底、引線框、印刷電路板、或者有源的結(jié)構(gòu)元件，特別是功率半導(dǎo)體或者1C、或者載體襯底或者散熱器。
[0039]關(guān)于另外的優(yōu)點(diǎn)和特征，對此可明確地參照與本發(fā)明的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)、本發(fā)明的方法的產(chǎn)品、本發(fā)明的電路布置以及附圖相關(guān)的說明。
[0040]本發(fā)明的另外的主題是用于構(gòu)造一種疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)、特別是本發(fā)明的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，包括下面的步驟:
[0041]-構(gòu)造一個疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)毛坯，其包括一個層組合和至少一個電子襯底，其中該層組合包括至少一個第一金屬和/或第一金屬合金構(gòu)成的第一層和一個與該第一層鄰接的、第二金屬和/或第二金屬合金構(gòu)成的第二層，其中第一層和第二層的熔點(diǎn)溫度不同，并且其中該第一層或者第二層由反應(yīng)焊料構(gòu)成，該反應(yīng)焊料由基焊料與AgX-XuX-或者NiX-合金的混合物組成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的熔點(diǎn)溫度高于基焊料的熔點(diǎn)溫度，
[0042]-對層組合或者疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)毛坯進(jìn)行熱處理，由此實(shí)現(xiàn)在第一層和/或第二層中的金屬和/或金屬合金的互擴(kuò)散，
[0043]-構(gòu)成在第一層和第二層之間包括至少一種金屬間相區(qū)域的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0044]在本發(fā)明的方法的一種實(shí)施方式的范圍內(nèi)，在超過反應(yīng)焊料中的基焊料的熔點(diǎn)溫度的溫度條件下進(jìn)行熱處理。
[0045]由此優(yōu)選地保證了，由反應(yīng)焊料和其它層構(gòu)成一個盡可能大的金屬間相的區(qū)域，使得能夠優(yōu)化地實(shí)現(xiàn)上面已經(jīng)說明的在電子襯底的電和熱的連接的特性曲線中的優(yōu)點(diǎn)。
[0046]本發(fā)明的另一個主題是電路布置，特別是用于汽車系列產(chǎn)品和光伏工業(yè)中的電子的電路布置，其包含根據(jù)上述發(fā)明的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]通過附圖圖解并且在下面的說明中解釋本發(fā)明的主題的另外的優(yōu)點(diǎn)和有利的結(jié)構(gòu)。這里應(yīng)該注意，附圖僅具有說明的特性，不應(yīng)該認(rèn)為以任何方式限制本發(fā)明。附圖中:
[0048]圖1示出了本發(fā)明的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意的橫截面，
[0049]圖2示出了疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)毛坯的示意的橫截面。
【具體實(shí)施方式】
[0050]圖1示出了一個疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)10，其包括至少一個電子襯底11和一個層組合20、30，該層組合20、30由至少一個第一金屬和/或第一金屬合金構(gòu)成的第一層20和一個與該第一層鄰接的、第二金屬和/或第二金屬合金構(gòu)成的第二層30組成。第一層20和第二-金屬合金構(gòu)成的第一層20和一個與該第的第二層30組成。通過對疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)毛層內(nèi)的金屬和/或金屬合金的互擴(kuò)散并且-種金屬間相的區(qū)域40并且形成在圖1中-的熱處理例如可以在超過反應(yīng)焊料中的基
【權(quán)利要求】
1.疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，包括至少一個電子襯底(11)和一個層組合(20、30)，所述層組合由至少一個第一金屬和/或第一金屬合金構(gòu)成的第一層(20)和由一個與該第一層鄰接的、第二金屬和/或第二金屬合金構(gòu)成的第二層組成，其中第一層和第二層的熔點(diǎn)溫度不同，并且其中在對層組合(20、30)進(jìn)行熱處理后在第一層和第二層之間構(gòu)成一個具有至少一種金屬間相的區(qū)域(40)， 其特征在于， 第一層或者第二層由反應(yīng)焊料構(gòu)成，該反應(yīng)焊料由基焊料與AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物組成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的組分X從由下述元素組成的組中選擇: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-合金的熔點(diǎn)溫度高于基焊料的熔點(diǎn)溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10),其特征在于,基焊料從SnCu、SnAg、SnAu、SnB1、SnN1、SnZn> Snln、CuN1、CuAg> AgB1、ZnAl、Bi In、InAg、InGa、或者由它們的混合物構(gòu)成的三組分的、四組分的或者更多組分的合金的組中選擇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，AgX-、CuX-或者NiX-合金以在Inm和50 μ m之間的平均的顆粒大小在與基焊料的混合物中存在。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，第一層(20)和/或第二層(30)不包含鉛。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，由反應(yīng)焊料構(gòu)成的層的Ag、Cu或者Ni的份額在20重量％和80重量`％之間。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，反應(yīng)焊料的處理溫度低于500°C。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，并非由反應(yīng)焊料構(gòu)成的第一層(20)或者第二層(30)是Ag-燒結(jié)層。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，金屬間相的區(qū)域(40)包括第一層(20)或者第二層(30)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，金屬間相(40)具有比第一層或者第二層高的熔點(diǎn)。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，在熱處理期間構(gòu)成的金屬間相的區(qū)域(40)部分地或者完全地替換第一層(20)和/或第二層(30)。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，第一層(20)和/或第二層(30)接觸至少一個電子襯底(11)。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)，其特征在于，至少一個電子襯底(11)是電路載體，特別是DBC襯底、LTCC襯底、引線框、印刷電路板、或者有源的結(jié)構(gòu)元件，特別是功率半導(dǎo)體或者1C、或者載體襯底或者散熱器。
13.用于構(gòu)造特別是根據(jù)上述權(quán)利要求1到12之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)的方法，包括下面的步驟: -構(gòu)造一個疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)毛坯(10a)，該疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)毛坯包括一個層組合(20、30)和至少一個電子襯底(11)，其中該層組合(20、30)包括至少一個第一金屬和/或第一金屬合金構(gòu)成的第一層(20)和一個與該第一層鄰接的、第二金屬和/或第二金屬合金構(gòu)成的第二層(30)，其中第一層(20)和第二層(30)的熔點(diǎn)溫度不同，并且其中該第一層(20)或者第二層(30)由反應(yīng)焊料構(gòu)成，該反應(yīng)焊料由基焊料與AgX-、CuX-或者NiX-合金的混合物組成，其中AgX-、CuX-或者NiX-合金的熔點(diǎn)溫度高于基焊料的熔點(diǎn)溫度， -對層組合(20、30)或者疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)毛坯(IOa)進(jìn)行熱處理，由此實(shí)現(xiàn)在第一層(20)和/或第二層(30)中的金屬和/或金屬合金的互擴(kuò)散， -構(gòu)成在第一層和第二層之間包括至少一種金屬間相區(qū)域(40)的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在超過反應(yīng)焊料中的基焊料的熔點(diǎn)溫度的溫度條件下進(jìn)行熱處理。
15.電路布置，特別是用于汽車批量生產(chǎn)和光伏工業(yè)中的電子電路布置的電路布置，包括根據(jù)權(quán)利要求1到12之一所述的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)(10)。
【文檔編號】B23K35/26GK103842121SQ201280047510
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月30日
【發(fā)明者】M·古耶諾特, A·法伊奧克, C·弗呂, M·京特, F·韋茨爾, M·里特納, B·霍恩貝格爾, R·霍爾茨, A·菲克斯, T·卡利希 申請人:羅伯特·博世有限公司