本發明涉及一種按照獨立權利要求的前序部分所述的至少一個電氣元件和/或電子元件與接合配對件的連接裝置、一種用于形成該連接裝置的復合元件和方法。
背景技術：
在許多技術領域中，在電路裝置內使用電子元件，比如集成電路(IC)、晶體管或者二極管。在這里，各種各樣的電子元件固定在基礎部件，例如基板或者類似物上。電子元件的固定例如通過連接層(比如粘接層、釬焊層或者燒結層)實現。但是，由于室溫、接合溫度及工作溫度之間的差異、連接層的剛度以及例如為IC與基板的極其不同的膨脹系數，在電子元件中會產生非常高的機械應力或者熱機械應力。因此，例如特別是在受到熱負荷時會在電子元件上發生所謂的“貝殼破裂”，其中，電子元件的表面的部分區域被破開。這會導致這種電子組件具有非常短的使用壽命。為了減少在電子元件內的機械應力的產生，已知的是，在固定的電子元件的區域周圍在基板表面中引入圓形凹部，所謂的凹痕。通過圓形凹部，基板在該區域變得更有彈性，從而由于基板、連接層及電子元件的不同膨脹系數而引起的機械應力在基板被圓形凹部包圍的區域中就可以消除。引入凹痕是用于提供基板的額外的制造步驟。由公開文獻US2010/0187678A1公開了半導體芯片在金屬基板上的一種設置。在這里，半導體芯片通過在低壓下使銀膏燒結而固定在金屬基板上。此外，半導體芯片還具有將半導體芯片與接觸部位連接的壓焊連接部。這樣描述的裝置(連同壓焊連接部)從外部被完全地涂上金屬氧化膜(SnO、AlO)。以這種方式經過涂覆的裝置另外還被聚合物材料包封。金屬氧化物涂層使半導體芯片的應力減小。這種涂層是昂貴的，因為它必須被涂覆在整個裝置上。此外，在作為空間結構的裝置上施加涂層是非常復雜的且困難的。此外，只能使用與裝置相鄰的區域在進行這種涂覆之前可以移除的那些方法。
技術實現要素：
優點本發明的目的在于，以如下方式形成一種電氣元件和/或電子元件的連接裝置：該元件，特別是半導體芯片可以在運行中耐溫度變化地被特別是應用在機動車輛的電路裝置內。此外，本發明的目的還在于，提出一種用于形成這種連接裝置的方法。這些目的是通過根據獨立權利要求的特征部分所述的一種至少一個電氣元件和/或電子元件的連接裝置、一種用于形成該連接裝置的復合元件以及一種用于制造該連接裝置的方法得以實現。連接裝置包括至少一個電氣元件和/或電子元件。所述至少一個電氣元件和/或電子元件具有至少一個連接面，該連接面借助于連接層以材料連接的方式與接合配對件連接。連接層例如可以是粘接連接部、釬焊連接部、熔焊連接部、燒結連接部或者在形成材料連接的條件下將接合配對件相連接的其它已知的連接部。根據本發明的連接裝置的特征是，以材料連接的方式與連接層鄰接地設有加強層。加強層為此具有比連接層更高的彈性模量。以這種方式，可以有利地預防在連接層內形成裂縫，該現象否則在已知的連接裝置中由于機械應力和/或熱機械應力，特別是在由運行決定的溫度變化下會發生。該作用是由具有高彈性模量的材料可以給材料變形帶來高的阻力而引起。因此，加強層防止連接層或者與連接層連接的所述至少一個電氣元件和/或電子元件發生超臨界膨脹。因此，如果加強層通過外邊界和內邊界被設計成框架狀并且至少以它的外邊界包圍所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面，則可得到一種特別好的保護作用。框架狀在這里特別是指：加強層通過它的外邊界和/或它的內邊界具有至少是在一個平面內，特別是在與所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面基本平行的平面內封閉地環繞的走向。外邊界和/或內邊界優選與連接面的外部輪廓基本平行地延伸。除了方形或者矩形的基面之外，連接面也可以具有圓形、橢圓形或者其它類型的基面。特別有利的是，加強層被實施為無間斷的。以這種方式，通過連接層可以阻止所述至少一個電氣元件和/或電子元件、連接層以及接合配對件(例如為支承基板)發生本身不同的膨脹。加強層通過框架狀構造像可以吸收力的硬帶一樣起作用，但同時不允許發生變形。通過在從屬權利要求中列舉的措施，可以對根據本發明的連接裝置進行有利的改進和改動。根據本發明的連接裝置的一種有利的實施方式規定，連接層具有一個表面區域，該表面區域延伸超出所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面。有利地，加強層在該表面區域中設置在連接層上。特別有利的是，設置在該表面區域上的加強層以它的內邊界至少延伸至所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面。此外還有利的是，在該裝置中，加強層至少部分被設計成，使得加強層還至少在最小高度上包圍所述至少一個電氣元件和/或電子元件的殼體。總的來說，因此，極其有效地防止所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面和殼體兩者的遭受危險的邊緣區域例如由于由運行決定的溫度變化而引起而發生裂縫形成和/或裂縫擴展。在根據本發明的連接裝置的一種替代或者改進實施方式中，加強層以它的內邊界限定連接層的側向延伸長度。在這里，加強層的內邊界在連接層的層厚上至少部分地或者優選完全地包圍連接層。在連接層的層厚上的部分限定例如可以以如下方式實施：加強層與連接層鄰接地設置在接合配對件上并且在層厚方面被實施為比連接層更小。此外，加強層可以至少部分地在空間上集成地設置在連接層內。在這里，例如，加強層的朝向所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面的一側和/或加強層的朝向接合配對件的一側至少部分，優選完全被連接層覆蓋。總的來說，因此得到與設置在連接層上的加強層相結合的另一種用來極其有效地防止所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面和殼體兩者的遭受危險的邊緣區域發生裂縫形成和/或裂縫擴展的改進可能方案。根據本發明的連接裝置的一種有利改進方案規定，加強層的內邊界至少部分(優選完全地)延伸至所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面內。在這種情況下，加強層的朝向所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面的一側和連接面本身具有重疊的表面區域。特別有利的是，連接面在重疊區域中與加強層以材料連接的方式連接。以這種方式，所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面的邊緣區域直接固定在加強層上，從而該元件的膨脹能力總地被限制為加強層的小的膨脹能力。因此，在最大程度上降低了在元件內的裂縫形成和擴展的風險。加強層優選要根據所選的連接層進行選取。這樣，例如要注意，在連接層與加強層之間以及優選也在所述至少一個電氣元件和/或電子元件的連接面和/或接合配對件之間能夠以材料連接的方式形成連接。因此，通過加強層例如可以吸收由于所述至少一個電氣元件和/或電子元件、連接層及接合配對件的不同膨脹特性引起的機械應力和/或熱機械應力。對此，還要注意，加強層具有比連接層更大的彈性模量。根據本發明的連接裝置的一種有利改進方案規定一種加強層，該加強層至少包含一種金屬間相。金屬間相具有大的共價鍵合份額。這產生大的彈性模量和高的熔化溫度或者說分解溫度，例如大于250℃，尤其是300℃以上。這在連接裝置在所述至少一個電氣元件和/或電子元件與接合配對件相接合時或者在運行中受到高溫的情況下是特別有利的。以這種方式在高溫下也可確保連接裝置的可靠性。一種優選的根據本發明的連接裝置具有連接層，該連接層包含至少一種金屬，例如特別是由銀構成的金屬燒結連接部。此外，加強層由釬焊材料構成，特別是由錫基、鉍基、鋅基、鎵基或者鋁基的釬焊材料構成，其中，在對連接層和/或釬焊材料進行熱處理之后，加強層包含至少一種金屬間相或者由至少一種金屬間相構成并且因此完全代替之前的釬焊材料。特別有利的是，連接層例如被實施為燒結成形件，并且釬焊層被設計成復合元件形式，該復合元件于是設置在所述至少一個電氣元件和/或電子元件與接合配對件之間以形成根據本發明的連接裝置。在這里，在復合元件內的釬焊層被實施為框架狀并且設置在連接層上和/或與連接層鄰接使得它的內邊界限定連接層的側向的面延伸范圍。一個特別的優點表現在：復合元件可以與在連接裝置內的使用無關地大量地事先進行制造。此外，可得到簡單的操作以及可以相比較地配備任何電氣元件和/或電子元件。熱處理優選是根據所需的釬焊特性進行。因此，總的來說，得到一種特別簡單且成本低廉的用來通過常用的連接材料和連接方法形成耐熱的金屬間相的可能方案。根據本發明的連接裝置特別適用于例如由硅構成，特別是具有平面狀連接面的半導體元件，例如IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)、DIODEN(二極管)以及半導體芯片。這類元件借助于連接層例如固定在作為接合配對件的DBC基板(直接銅接合基板)、金屬沖壓格柵、有機或陶瓷電路載體或者IMS基板(絕緣金屬基板)上。特別是作為燒結層的連接層優選具有10-500μm，特別是10-300μm，特別優選是10-100μm的層厚。加強層在層厚方面可以被實施為與連接層類似。如果選取釬焊層作為加強層，該釬焊層特別是應在熱處理之后被至少一種金屬間相代替，則較小的層厚是優選的，例如0.5-100μm，特別是0.5-60μm，特別優選為1μm-30μm。按照方法獨立權利要求所述的根據本發明的接合方法以及在引用該權利要求的從屬權利要求中所示的實施方式以簡單且成本低廉的方式使得能夠抵制在連接層和/或所述至少一個電氣元件和/或電子元件內的裂縫形成和擴展。在這里，也可以使用尤其允許所形成的連接裝置在高的工作溫度下使用的常用連接材料。附圖說明本發明的其它優點、特征及細節由隨后對優選實施例的描述以及借助于附圖給出。附圖中：圖1a以側視圖示意地示出了根據本發明的連接裝置的第一實施方式，圖1b以俯視圖示意地示出圖1a的實施方式，圖2a以側視圖示意地示出了根據本發明的連接裝置的第二實施方式，圖2b以側視圖示意地示出了根據本發明的連接裝置的第三實施方式，圖2c以側視圖示意地示出了根據本發明的連接裝置的第四實施方式。在附圖中，功能相同的部件分別用相同的附圖標記表示。具體實施方式圖1a和1b示出了根據本發明的連接裝置100的第一實施方式。為了形成連接裝置100，提供電路基板40(例如DBC基板)。半導體芯片10與DBC基板以材料連接的方式連接。為此，半導體芯片10在朝向DBC基板的一側上具有連接面11。連接面11例如用于半導體芯片10的電接觸和/或用于半導體芯片的散熱。為了以材料連接的方式形成連接，在連接面1與DBC基板40之間設置由銀構成的燒結層20。為此，燒結層20例如可以呈膏狀形式并且借助于已知的膏印刷方法涂覆在DBC基板40上。同樣，燒結層20可以被設計成燒結成形件并且以隨后呈固體且與連接面11匹配的形狀放置到DBC基板40上。在該具體實施例中，燒結層20被設計成，使得朝向連接面11的上表面區域21延伸超出半導體芯片10的連接面11。如在圖1b中的俯視圖可見，該表面區域21一般在半導體芯片10的背面突出。此外，層厚為s(例如50μm)的錫基釬焊層30(例如由SnAg3.5或者由SnCu0.7構成)涂覆在該表面區域21上。以這種方式形成具有內邊界35和外邊界36的釬焊層30。釬焊層30的內邊界35在這里延伸到連接面11。此外，半導體芯片10的殼體在背面在層厚s的高度上被釬焊層20包圍。緊接著，對這樣形成的裝置，特別是燒結層20和/或釬焊層30進行熱處理。熱處理優選在釬焊層30的熔化溫度的范圍內進行。在燒結層20的燒結溫度低于釬焊層30的熔化溫度的情況下，由于熱處理而啟動燒結過程，由此半導體芯片10借助于燒結層20與DBC基板40以材料連接的方式連接。同時，通過熱處理，燒結層20與釬焊層30之間的固體擴散過程開始進行。在這里，兩個層20、30的金屬和/或金屬合金至少在邊界區域中，也就是在表面區域21內混合，并且形成包含至少一種金屬間相的加強層30’。在例如SnAg3.5作為釬焊材料的情況下，形成Ag3Sn作為金屬間相。在例如SnCu0.7作為釬焊材料的情況下，不僅形成Ag3Sn而且還形成Cu6Sn5都作為金屬間相。通過釬焊層30被實施為非常薄，例如為50μm，兩個層20、30的金屬和/或金屬合金可以在熱處理期間以非常深的程度擴散到釬焊層30中。優選地，選擇熱處理的時長，在該時長內，釬焊層30基本上被所形成的至少一種金屬間相代替并且以這種方式總的來說形成加強層30’。為了簡化起見，沒有示出：所形成的金屬間相一般也部分地延伸至燒結層20中。在圖2a-2c中，示出了根據本發明的連接裝置200、300、400的其它示例性實施方式。它們的主要區別在于釬焊層30和由其形成的加強層30’在連接裝置200、300、400中的設置。在如圖2a的根據本發明的連接裝置200的第二實施方式中，釬焊層30在側面與燒結層20鄰接地被施加在DBC基板上。在這里，在熱處理之后形成的加強層30’以材料連接的方式不僅與燒結層20連接而且與DBC基板連接。此外，內邊界35限定燒結層20的側向的面延伸范圍。按照圖2b的根據本發明的連接裝置300的示例性的第三實施方式類似于第二實施方式。與第二實施方式不同，燒結層20在第三實施方式中被實施為基本上與半導體芯片10的連接面11或者說殼體齊平。另外，釬焊層30的層厚至少在半導體芯片10的殼體區域中被設計成，使得至少殼體的一個最小高度在背面被釬焊層30的一部分或者說在熱處理之后被加強層30’包圍。在如圖2c的根據本發明的連接裝置400的示例性的第四實施方式中，釬焊層30集成在燒結層20內。在這里，釬焊層30的朝向連接面11的一側面平面地與燒結層20齊平，燒結層至少在釬焊層30的層厚s上由釬焊層的內邊界35限定。此外，釬焊層30的背向連接面的一側被燒結層20覆蓋。在熱處理之后，所形成的加強層30’以材料連接的方式不僅與燒結層20而且與延伸到連接面11中的表面區域連接。一般地，還有其它實施方式是可行的，這些實施方式例如是前面描述的實施方式的組合或者變型。另外，釬焊層原則上也可以在以材料連接的方式形成電氣元件和/或電子元件(例如半導體芯片10)與接合配對件(例如DBC基板40)的連接之后才進行涂覆和/或設置。將釬焊層30施加到形式為燒結成形件的燒結層20或者將釬焊層30設置成在側面與連接層20鄰接，使得釬焊層30以它的內邊界35限定連接層20的側向的面延伸范圍，這也可以在形成連接裝置100、200、300、400之前在形成復合元件的條件下就已完成。在這種情況下，復合元件設置在所述至少一個電氣元件和/或電子元件(例如半導體芯片10)與接合配對件(例如DBC基板)之間，并且緊接著進行熱處理以形成加強層30’。一般也可行的是，規定包含至少一種金屬的連接層20作為釬焊層，該釬焊層例如由錫基、鉍基、鋅基、鎵基或者鋁基的軟釬焊料構成。同樣，一般地，加強層30’可由特別是含有錫、銀、銅、鋅、鉍、鎵和/或鋁的金屬層構成，該金屬層例如通過化學和/或物理的涂層方法進行涂覆。原則上，可以選取用于連接層20和加強層30’的材料，使得由于熱處理和同時在兩個層20、30之間進行的擴散過程，加強層30’包含至少一種金屬間相。