燒結材料、燒結結合體以及制造燒結結合體的方法

專利名稱：燒結材料、燒結結合體以及制造燒結結合體的方法
技術領域：
本發明涉及一種按權利要求1前序部分所述的、用來使兩個接合件彼此燒結的燒結材料，還涉及一種按權利要求9前序部分所述的燒結結合體，還涉及一種按權利要求12 前序部分所述的、用來制造燒結結合體的方法。
背景技術：
為了使電子零件與其它的接合件連接在一起，現有技術目前是無鉛的釬焊連接。 同樣，對于功率損耗較大的應用情況來說，并且在環境溫度較高的情況下，使用銀燒結技術是已知的，例如在DE 43 15 272 Al中已知的一樣。通過使用高熔點的金屬或金屬合金(形式為固體顆粒)，在燒結接合過程中繞開液體階段。因此，可制出耐高溫的燒結結合體，此燒結結合體確保了導電接觸及熱接觸，并同時避免很高的接合溫度，此接合溫度是用來熔化所用的銀燒結膏。因為已知的銀燒結法是借助很高的工藝壓力來工作的，所以要努力降低此工藝壓力。對此的解決方案是，使用非常小的結構顆粒，以便使用由此升高的表面能，作為燒結的驅動力。甚至使用納米級的結構顆粒。除了金屬的、似蠟涂敷的結構顆粒以外，已知的燒結膏通常還包含有機溶劑，以便確保燒結膏的糊狀特性。可任意選擇的是，通常還額外存在著其它的化學結合劑或有機的填充材料。使用越來越小的金屬結構顆粒的結果是，有機成份在燒結膏中的比越來越高，而金屬含量會下降。因為有機成份在接合過程(燒結過程)中必須去除，以便燒結單個結構顆粒，所以必須蒸發或燃燒越來越高的有機成份。其結果是，待從燒結層中去除的氣體量非常大，這會在接合層(燒結層)中形成細孔。只要形成均勻的分布，這些細孔到一定的比例都是有利的。在有機成份較高的情況下，首先在燒結層的中間部位形成較大的氣泡，此汽泡留在燒結層中。因為除了導電和機械接觸以外，燒結層還必須通過導熱性確保冷卻，尤其在當功率半導體借助燒結層與另一接合件相連時，這些氣泡是不利的，它們在極端情況下甚至可能達到涂層厚度的尺寸。例如在EP 0 330 895 Bl中描述的燒結方法中必須使用很高的工藝壓力，此工藝壓力可單軸向或等壓地施加。在這種昂貴的、等壓的方法中，接合位置例如借助硅酮材料必須在施壓過程中包封，以避免燒結膏從側面擠壓出來。在單軸向施壓時，應限制接合力，因為沒有包封的燒結膏可能會被擠壓出來。燒結膏的加工性能和涂敷的(尤其擠壓的)燒結膏的形狀保持性是直接矛盾的。通過較高的有機成份，可確保燒結膏的粘性，并因此確保可安放性，尤其確保可壓入性。同時，此粘稠的性能對于必要的接合壓力來說是不利的，因為燒結膏在開始階段還可移動。

發明內容
因此本發明的目的是，說明一種燒結材料，借助它可在燒結過程中減少氣體的形成。燒結材料優選應這樣構成，即在接合件施壓時至少在很大程度上避免燒結材料從側面擠壓出來。此外，目的還在于，說明的一種最佳的燒結結合體，其中燒結層中不存在過大的氣泡。尤其優選的是，即使在工藝壓力很高的情況下，也不必規定燒結材料的包封，就可以把燒結結合體制造出來。此外，目的還在于，說明一種制造燒結結合體的方法，其中通過此方法應該在燒結過程中在燒結層中避免極端的氣體形成。此方法優選應允許至少兩個接合件借助燒結材料燒結在一起，而不必在施壓之前包封燒結膏。此目的在燒結材料方面借助權利要求1的特征得以實現，在燒結結合體方面借助權利要求9的特征得以實現，并在方法方面借助權利要求12的特征得以實現。在從屬權利要求中說明了本發明的有利的改進方案。由在說明書、權利要求和/或附圖中公開的至少兩個特征所構成的所有組合都落入在本發明的框架中。為了避免重復，在方法方面公開的特征同樣適用于裝置方面，并且可以主張權利。同樣，在裝置方面公開的特征也適用于方法方面，并且可以主張權利。在有利的燒結材料的構造方面，本發明是基于這樣的理念，即除了金屬的、設置了有機涂層的結構顆粒(尤其是銅、銀和/或金顆粒)以外，還設置有輔助顆粒，其中輔助顆粒是指金屬和/或陶瓷的顆粒，它不是有機地涂敷(與結構顆粒相反)，以便在燒結過程中避免產生氣體。按照使用目的，輔助顆粒例如可作為種類單純的粉末、顆粒或作為粉末-顆粒-混合物來應用。通過把上述輔助顆粒集成在燒結材料中，減少了燒結材料的有機成份， 因此可有針對性地控制期望的細孔尺寸。在隨后還將闡述、按本發明的理念構成的燒結結合體中，還可通過以下方式達到類似的效果，即輔助顆粒設置在至少兩個接合件之間的接合位置中，其中輔助顆粒在這種情況下不是強制性地必須事先加在燒結材料中，也可以直接加入/放置在接合位置或至少一個接合件上。用于燒結材料的輔助顆粒不必是純的，它也可是指由金屬和陶瓷顆粒構成的混合物，或指由不同金屬和/或陶瓷顆粒構成的混合物。如上所述，通過設置輔助顆粒，來降低有機成份在燒結材料中的比例，因此只需從膏狀體積去除更少量的氣體。這會使細孔比例更低，或降低大體積的細孔，并因此更好地使待制造的燒結結合體散熱。此外，通過輔助顆粒可改變燒結材料的熱膨脹系數，這在接合件和燒結材料的結合體的耐溫度變化性能方面是有利的。尤其優選的是，通過使用陶瓷的輔助顆粒，降低了熱膨脹性能，因為燒結層(連接層)以這種方式與待接合的半導體元件的膨脹系數相匹配。此外，通過把按前述構成的輔助顆粒設置在燒結材料中和/或直接設置在接合件中的至少一個上，可有針對性地調節燒結間隙。為此使用目的，輔助顆粒的粒度優選超出結構顆粒的粒位多倍。通過粒度的選擇和輔助顆粒的比例，可在接合件之間預先規定最小的間隔。因此，盡管有必要的接合壓力，仍可確保接合件之間的最小間隙寬度，因為一層或多層輔助顆粒可避免接合件的進一步壓合。因此，可尤其使壓出的結構具有更高形狀穩定性。因此，可控制或將具有輔助顆粒的燒結材料的擠出降至最低。在最不利的情況下，燒結材料的壓出可能會導致短路。燒結材料優選指燒結膏，尤其優選指銀燒結膏，其中還優選的是，燒結膏包含有機的溶劑，用來確保糊狀特性。按備選的實施例，燒結材料還可指粉末混合物。同樣還可實現這樣的實施例，即燒結材料構成燒結材料預成形件(預成形)，即已經構成為成形體。在與電元件必須建立導電連接的產品中，優選使用按本發明的理念構成的燒結材料。迄今使用的釬焊連接尤其可由燒結結合體代替，此燒結結合體是借助按本發明理念構成的燒結材料制成的。借助燒結材料制成的燒結結合體可在高溫下應用，和/或應用在功率損耗高的構件中。通過按本發明構成的燒結材料，可克服迄今出現的使用壽命限制。這一點尤其在輔助顆粒構成為定距件的情況下實現，因為盡管工藝壓力很高，但可保持確定的間隙尺寸。應用領域的例子是電子助力轉向裝置的功率末級、通用逆變單元的功率末級、尤其在起動機和/或發電機上的電子控制裝置、發電機銘牌(Generatorschilder)上的壓裝二極管、高溫穩定的半導體(如碳化硅)、亦或傳感器，它們在高溫下工作并需要靠近傳感器的電子分析裝置。在半導體二極管中應用也是可能的。燒結材料也可應用在用于逆變器的模塊中，尤其應用在光電伏打設備中。因為由于輔助顆粒可以設定少量的細孔含量，并且可實現適當的熱膨脹系數，所以獲得的燒結結合體可實現更高的應用溫度。由于細孔降至最低，也可提高接合面，它目前被排氣問題限制。因此，可達到最佳的熱傳遞性能。在本發明的改進方案中，所用的輔助顆粒的特征在于，它的熔解溫度大于燒結過程溫度，以便在燒結過程中避免輔助顆粒的熔化。尤其優選的是，輔助顆粒的熔解溫度大于所用的結構顆粒的溫度。在燒結過程中所用的溫度尤其優選在300°C以下，優選在250°C以下，尤其優選在100°C以下。在技術方面值得期望的是，所用的工藝壓力是零，但這幾乎是不可能實現的。工藝壓力優選最大為40Mpa，優選小于15Mpa，更優選小于lOMpa，或小于6Mpa， 或小于3Mpa,或小于IMpa,或小于0. 5Mpa。尤其適宜的是，輔助顆粒這樣構成，即它在燒結過程中與結構顆粒燒結。為此，輔助顆粒例如具有可燒結的表面，它例如借助合適的涂層來實現。還可這樣來選擇輔助顆粒， 即其向內擴散到結構顆粒中。尤其優選的是，輔助顆粒是指陶瓷的和/或金屬的顆粒。在設置輔助顆粒的情況下，有利的是，將它們涂敷，尤其金屬地涂敷，優選用金屬和/或用貴金屬或用鎳，尤其優選地用含磷成份的鎳。在把金屬顆粒當作輔助顆粒來用時，它們可由與結構顆粒相同的材料構成(但無有機涂層)。這雖然不會改變熱膨脹性能，但會減少燒結過程中產生的氣體量，這會使燒結層更密實。在結構顆粒的結構方面，同樣具有不同的可能性。尤其優選的實施例是，結構顆粒是指銀顆粒。附加地或備選地，結構顆粒可構成為銅顆粒、金顆粒或鈀顆粒。還可能的是， 把由上述顆粒構成的混合物當作結構顆粒來用。附加地或備選地，結構顆粒可由合金構成， 其優選具有上述金屬中的至少一個。在把陶瓷顆粒當作輔助顆粒來用的情況下，應該確保輔助顆粒的導熱性能。因此， 如氧化鋁(也可摻雜)、氮化鋁、氧化鈹、氮化硅等材料在此是尤其適合的。為了不使陶瓷輔助顆粒的導電性能變差，也可使用導電的陶瓷，例如碳化硼或碳化硅。在此尤其優選的實施例是，輔助顆粒構成為具有確定幾何形狀的成形體。因此例如可能的是，輔助顆粒具有球形、方形、圓柱形等造型。例如可由板材沖制成輔助顆粒，來實現這一點，其中在這種情況下尤其優選的是，板材或成形體設置涂層，此涂層可使輔助顆粒和結構顆粒燒結在一起，但涂層絕對不能是有機性質，從而不會額外在燒結過程中產生氣體。還可能的是，把造型不規則的輔助顆粒當作定距件來用。尤其優選的是，輔助顆粒具有比結構顆粒大得多的、尤其大數倍的粒度。完全尤其優選的是，輔助顆粒的大小這樣進行選擇，即其同時接觸兩個彼此待接合在一起的接合件，并因此直接確定間隙寬度。
本發明還涉及一種燒結結合體，其包含至少兩個接合件，它們在接合區域內彼此燒結在一起。此燒結結合體的特征在于，如同在針對燒結材料的以上描述和權利要求一樣， 在接合區域內設置輔助顆粒，借助此輔助顆粒一方面可避免由于有機成份的減少而產生過量的氣體，此輔助顆粒在相應的粒度時承擔起定距件的功能，用來調節接合間隙。在輔助顆粒構成為定距件的情況下，優選的是，輔助顆粒具有比結構顆粒大的、優選大數倍的粒度。在尤其優選的實施例中，輔助顆粒同時接觸兩個接合件。在至少兩個彼此燒結在一起的接合件的結構方面，具有不同的可能性。因此，接合件中的至少一個例如構成為電子元件，尤其構成為半導體元件，優選構成為功率半導體元件。在此尤其優選的是，這些零件具有硅、碳化硅、氮化硅、磷化鎵、砷化鎵。此外還優選的是，這種零件借助燒結層與電子電路載體相連。還可能的是，尤其已裝配的電路載體和底板和/或外殼借助燒結層進行燒結。元件(尤其是電子元件)還可與兩個優選彼此相背離的燒結層像三明治一樣地裝在兩個接合件之間，它們可確保元件朝上和/或朝下的導電接觸。 在接合件中的一個構成為底板的情況下，優選的是，它構成為所謂的DCB-基底或AMB-基底或IMS-基底或PCB-基底或LTCC-基底或標準陶瓷基底。此外，本發明還涉及一種用來制造燒結結合體的方法。此燒結結合體具有至少兩個在燒結過程中在使用燒結材料的情況下彼此燒結在一起的接合件。此理念的核心是，在接合區域中設置輔助顆粒，此輔助顆粒構造得如同在上述說明和權利要求書中描述的一樣，其中可能的是，使用設置有這種輔助顆粒的燒結材料，和/或輔助顆粒構成為這樣的燒結材料，即它要么在接合區域中設置在接合件的至少一個上，和/或設置、尤其擠壓在它上面。設置輔助顆粒的目的是，通過減少有機成份來避免過量的氣泡形成。按輔助顆粒的粒度，還可通過它們來調節接合件之間的間隔，即間隙尺寸。


從優選實施例的以下描述中，并借助附圖得出了本發明的其它優點、特征和細節。其中
圖1示出了燒結結合體的可行實施例，其具有兩個接合件； 圖2示出了燒結結合體的備選實施例，其具有總共三個接合件和兩個燒結層； 圖3示出了備選的燒結結合體，其中設置有球形的輔助顆粒作為定距件； 圖4示出了另一備選的燒結結合體，其中球狀的、起定距件作用的燒結顆粒是配有非有機涂層的顆粒；
圖5示出了燒結結合體的另一備選的實施例，其中起定距件作用的輔助顆粒構成為方形的；
圖6示出了燒結結合體的另一備選的實施例，其中輔助顆粒構成為粗晶粒的粉末；以
及
圖7示出了具有球形輔助顆粒的燒結結合體，這些輔助顆粒將兩個燒結層彼此相連。
具體實施例方式在附圖中，相同的元件以及具有相同功能的元件用相同的參考標記來表示。在圖1中示出了燒結結合體1。它具有在附圖平面中位于上方的第一接合件2，還
6具有位于其下方的第二接合件3。這兩個接合件2、3通過由未示出了的燒結材料制成的燒結層4彼此相連。此燒結材料在燒結過程之前除了金屬的結構顆粒以外還包含輔助顆粒， 由燒結材料產生的燒結層4在燒結過程之后除了金屬的結構顆粒以外還包含輔助顆粒，所述輔助顆粒是非有機地涂覆。所用的燒結材料還可備選地指燒結膏、粉末混合物或燒結成形件(Sinterformteil)。此輔助顆粒用來減少有機成份，并因此用來在燒結件的燒結過程中減少氣體的形成。此輔助顆粒的特征基本在于，它相對于燒結過程是惰性的，也就是說， 至少幾乎無變化地經受燒結過程。第一接合件2例如指電子元件，例如功率半導體，第二接合件3例如指電路載體。還可能的是，第一接合件2指已裝配的電路載體，而第二接合件3 是指底板(散熱裝置)。圖2示出了備選的燒結結合體1。除了開始兩個、此處是設置在外面的接合件2、3 以外，還具有第三接合件5，它在所示的實施例中例如指電子元件。第一和第二接合件2、3 優選分別構成為電路載體或底板或外殼等。在第一接合件2和第三接合件5之間，以及在第三接合件5和第二接合件3之間分別具有燒結層4、6，它們分別已由燒結材料制成。此燒結材料包含金屬的或陶瓷的、非有機涂敷的輔助顆粒，它們在燒結過程中在使用壓力和溫度的情況下不會析出氣體。在圖3至6中示出了燒結結合體1的其它實施例，其分別包含兩個通過燒結彼此接合的接合件2、3。位于接合件2、3之間的燒結層4分別由燒結材料(例如燒結膏、粉末混合物或燒結成形件)制成，還包含金屬的或陶瓷的、非有機涂敷的、在燒結過程中不會析出氣體的輔助顆粒7。在按圖3至6的實施例中，輔助顆粒7當作定距件來用，用來調節燒結間隙的間隙尺寸或燒結層4的層厚度。在所有按圖3至6的實施例中，示意示出的輔助顆粒7具有比燒結層4的結構顆粒大得多的粒度，此結構顆粒為了視覺清晰沒有示出。此輔助顆粒7的特征基本在于，它們相對于燒結過程是惰性的，也就是說，至少幾乎無變化地經受燒結過程。在按圖3的實施例中，輔助顆粒7具有球狀造型，與按圖4的實施例一樣，但區別在于，輔助顆粒7在按圖4的實施例中被涂敷。它優選指金屬的涂敷的陶瓷顆粒。在按圖5的實施例中設置了方形或圓柱形成型的輔助顆粒7，在按圖6的實施例中設置了粗晶粒的粉末，其中單個輔助顆粒7不規則地成型。圖3至5所示的輔助顆粒7也例如可指成型體(Formk5rper)，它還例如由板材沖制而成。此成型體優選設置有涂層(表面拋光)，例如在圖4中所示的一樣，用來使燒結材料或燒結層的結構顆粒形成固定的連接。在圖7中示出了燒結結合體1的另一實施例。可看到，兩個通過燒結彼此固定相連的接合件2、3，其中在每個接合件2、3的一個側面上分別設置有燒結層4、6，其中燒結層 4、6在所示的實施例中不是直接接觸的，而是通過尺寸相對較大的輔助顆粒7彼此相連，其中輔助顆粒7燒結到燒結層4、6的結構顆粒上。
權利要求
1.一種燒結材料，其具有金屬的、設置了有機涂層的結構顆粒，其特征在于，設置了非有機涂敷的、金屬的和/或陶瓷的、在燒結過程中不會放出氣體的輔助顆粒(7)。
2.按權利要求1所述的燒結材料，其特征在于，燒結材料構成為優選包含至少一種有機溶劑的燒結膏，或構成為粉末混合物，或構成為燒結材料預成形件。
3.按權利要求1或2所述的燒結材料，其特征在于，輔助顆粒(7)的熔解溫度和/或分解溫度大于燒結工藝溫度，優選大于結構顆粒的熔化溫度或分解溫度。
4.按上述權利要求之任一項所述的燒結材料，其特征在于，輔助顆粒(7)是這樣構成的，即其在燒結過程中與結構顆粒燒結，尤其通過設置可燒結的表面或涂層，和/或通過向內擴散。
5.按上述權利要求之任一項所述的燒結材料，其特征在于，輔助顆粒(7)被金屬地和/ 或陶瓷地、尤其借助結構顆粒的金屬或貴金屬或鎳、優選借助磷成份進行涂敷。
6.按上述權利要求之任一項所述的燒結材料，其特征在于，結構顆粒構成為銀顆粒、銅顆粒、金顆粒、鉬顆粒或鈀顆粒或上述顆粒的混合物，和/或構成為具有上述金屬中的至少一個的合金。
7.按上述權利要求之任一項所述的燒結材料，其特征在于，輔助顆粒(7)構成為鎢顆粒、金顆粒、銀顆粒、氧化鋁顆粒、氮化鋁顆粒、氧化鈹顆粒、氮化硅顆粒、碳化硼顆粒或碳化硅顆粒或上述顆粒的混合物。
8.按上述權利要求之任一項所述的燒結材料，其特征在于，輔助顆粒(7)具有比結構顆粒大的、尤其大數倍的粒度，此輔助顆粒尤其具有球形、方形、圓柱形或不規則的造型，優選構造成成型體。
9.一種燒結結合體，其具有第一接合件(2 )和至少一個第二接合件(3 )，它們在接合區域內燒結在一起，其特征在于，在接合區域內設置金屬的和/或陶瓷的輔助顆粒(7)，此輔助顆粒(7)在制造燒結結合體(1)的燒結過程中不會放出氣體，并且在燒結過程之前和之后非有機地涂敷。
10.按權利要求9所述的燒結結合體，其特征在于，輔助顆粒(7)的粒度比結構顆粒的粒度大，優選大數倍，優選大這樣的程度，即輔助顆粒(7)的至少一部分、優選超過顆粒的一半，接觸兩個接合件(2、3)。
11.按權利要求8至10之任一項所述的燒結結合體，其特征在于，第一和/或第二、優選被涂敷的、尤其用鎳-磷、銀和/或金涂敷的接合件(2、3)構成為優選由硅、碳化硅、氮化鎵、磷化鎵銦或砷化鎵構成的電子元件，或構成為電的、尤其已裝配的電路載體，或構成為殼體，或尤其構成為DCB-基底、AMB-基底、IMS-基底、PCB-基底、LTCC-基底、標準陶瓷基底，或構成為底板。
12.—種用來制造優選按權利要求9至11之任一項所述燒結結合體(1)的方法，在此方法中第一和至少一個第二接合件(2、3)在燒結過程中在壓力和溫度作用下在使用燒結材料的情況下彼此燒結在一起，其特征在于，使用按權利要求1至8之任一項所述的燒結材料，和/或在接合區域中在接合件(2、3、5)中的至少一個上，優選在放置燒結材料之前，設置非有機涂敷的、金屬的和/或陶瓷的、在燒結過程中不會放出氣體的輔助顆粒(7)。
全文摘要
本發明涉及一種燒結材料，其具有金屬的、設置了有機涂層的結構顆粒。按本發明規定，設置了非有機涂敷的、金屬的和/或陶瓷的、在燒結過程中不會放出氣體的輔助顆粒(7)。此外，本發明還涉及一種燒結結合體(1)以及一種制造燒結結合體(1)的方法。
文檔編號H01L21/60GK102281973SQ201080004470
公開日2011年12月14日 申請日期2010年1月4日 優先權日2009年1月14日
發明者京特 M., 里特納 M. 申請人:羅伯特·博世有限公司