阅读说明：本技术 电子器件 (Electronic device ) 是由 T·法伊希廷格 J·皮希勒 N·赖默 M·卡伊尼 M·施魏因茨格 于 2019-01-30 设计创作，主要内容包括：本发明说明一种电子器件,所述电子器件具有至少一个第一载体和至少一个半导体芯片。(The invention relates to an electronic component having at least one first carrier and at least one semiconductor chip.)

电子器件

技术领域

说明一种电子器件。例如，电子器件可以被构造为具有集成功能结构的功率模块。

背景技术

存在制造电子器件、尤其是功率模块、所谓的“系统功率封装（System PowerPackages）”的企图，所述电子器件在微型化时具有较高的功率密度以及较高的机械和尤其是热机械载荷。在此情况下，这种趋势例如在具有功率半导体和LED（LED：“light-emittingdiode”，发光二极管）的应用情况下倾向于更高的运行温度，即从约125°C至175°C或更高。

用于制造所谓的功率PCB（PCB：“printed circuit board”，印刷电路板）的基于玻璃和/或环氧树脂的层压技术允许经由所谓的“嵌入工艺（Embedding Process）”集成导热结构以及无源和有源部件。然而，限制例如在于缺少非常小的热阻的可实现性。

由于玻璃陶瓷的低导热性，基于玻璃陶瓷的LTCC技术（LTCC：“low temperaturecofired ceramics”, 低温共烧陶瓷）在实现导热路径方面也非常受限制。

而可以具有良好导热能力的基于AlN的技术目前限制于安装在表面上的部件、例如线键合的或借助于SMD技术（SMD：“surface-mount device”，表面安装器件）焊接的部件。

TSV技术（TSV：“through-silicon via”，硅通孔技术）能够实现非常高的集成度。由于降低的强度（小于200 MPa），该技术仅有限地可以被用于MEMS应用（MEMS：“microelectromechanical system”，微机电系统），而不能被用于具有高热机械负荷分布图的功率模块。

发明内容

特定实施方式的至少一个任务是说明一种电子器件。

该任务通过根据独立专利权利要求的主题解决。所述主题的有利的实施方式和改进方案在从属权利要求中表征并且此外从随后的描述和附图中得知。

根据至少一个实施方式，电子器件具有至少一个半导体芯片。半导体芯片可以例如具有晶体管或是晶体管、例如IGBT（“insulated-gate bipolar transistor”，绝缘栅双极型晶体管”）或MOSFET（“metal oxide semiconductor field-effect transistor”，金属氧化物半导体场效应晶体管）。此外，半导体芯片也可以具有另一半导体器件、尤其是功率半导体器件和/或光电子半导体芯片、诸如发光二极管芯片，或者是这样的构件。半导体芯片可以例如基于SiC、GaAs或GaN，也即是SiC、GaAs或GaN芯片。

此外，电子器件可以具有至少一个第一载体。此处和下文中，载体也可以被称为衬底、衬底载体或结构陶瓷。电子器件也可以被称为系统封装。

第一载体可以具有腔，半导体芯片布置在所述腔中。尤其是，半导体芯片可以完全下沉地布置在腔中。如果元件完全下沉地布置在腔中，则这尤其意味着腔具有比包括用于以电和/或机械方式安装元件的可能连接层在内的元件厚度更大的深度。替代于此，半导体芯片可以部分下沉地布置在腔中。换句话说，腔可以具有比半导体芯片的厚度更小的深度，使得半导体芯片部分地从腔中突出。此外，第一载体可以具有完全包围腔的平坦表面。

此外，电子器件可以具有第二载体和/或冷却元件，其中第二载体和/或冷却元件布置在第一载体上并且覆盖腔中的半导体芯片。尤其是，半导体芯片可以密闭地封闭在腔中。如果半导体芯片部分下沉地布置在第一载体中的腔中并且具有从第一载体的腔突出的部分，则第二载体或冷却元件可以具有相应的腔，半导体芯片的突出的部分布置在该相应的腔中。特别优选地，在这种情况下第一载体的腔和第二载体或冷却元件的腔可以对称地构造。

第一载体和/或第二载体可以具有以下特征中的一个或多个特征：

1.导电的或电绝缘的陶瓷材料，尤其是选自AlN、BN、Al₂O₃、SiC、SiN、ZnO、BeO。

2.在至少一个表面上、尤其是在至少一个朝向或背离半导体芯片、另一载体或冷却元件的表面上的金属层，所述金属层特别优选地具有选自Cu、Ag、W、Mo、Ti、Au、Ni、Zn以及与其的混合物和合金的材料。尤其是，载体中的至少一个载体可以具有布置在两个金属层之间的陶瓷材料。

3.至少一个电和/或热通孔和/或至少一个内部电极和/或印制导线，其例如具有选自Cu、Ag、W、Mo、Ti、Au、Ni、Zn、在此情况下优选为Ag和/或Cu并且特别优选为W以及与上述材料中的一种或多种材料的混合物和合金的材料。可以通过电通孔、内部电极和印制导线在载体中的至少一个载体中构造布线结构和布线层面。在此情况下，载体的至少一个部分与合适的陶瓷材料一起也可以具有电功能性，例如以可变电阻、PTC元件和/或NTC元件的形式。可以存在热通孔用以改善散热。此外，可以以多层技术构建第一和/或第二载体。尤其是，可以借助于LTCC或HTCC技术来生产相应的载体。

4.至少一个功能器件。至少一个功能部件可以具有或者可以是无源或有源电子或电气元件。至少一个功能部件尤其可以具有以下元件中的一个或多个元件：

-PTC元件，

-NTC元件，

-可变电阻

-导电体，

-多层器件，

-电感，

-电容，

-欧姆电阻。

至少一个功能部件可以以集成在第一或第二载体中的分立构件的形式来构造。替代于此，至少一个功能部件可以由第一和/或第二载体的部分区域构成。在这种情况下，第一或第二载体在所述的部分区域中可以具有陶瓷材料以及内部电极层，其构成功能部件。

在分立构件的情况下，至少一个功能部件可以优选地单独地或与至少一个或多个其他功能部件一起布置在第一或第二载体中的腔中，尤其是完全或部分下沉地布置。腔可以邻接载体的上侧，或者也可以构造在载体的内部中。尤其是，至少一个功能部件以及还有半导体芯片的布线可以借助于在相应的载体中构造的通孔、内部电极和印制导线来进行。尤其是，多个相同或不同的功能部件可以集成在第一和/或第二载体中。通过布置在一个或多个腔中，例如通过在载体内部的腔或通过在载体的上侧处的由另一载体、金属层和/或冷却元件遮盖和密封的腔可以特别优选地密闭地封装所述一个或多个部件。

此外，可以在第一和/或第二载体的表面上布置冷却元件。冷却元件可以特别优选地布置在相应载体的背离半导体芯片的上侧。此外，冷却元件也可以分别布置在每个载体上，所述冷却元件可以例如是散热器、空气冷却器和/或水冷却器。冷却元件例如可以具有优选具有金属或由金属制成的冷却器，所述冷却器在外侧具有散热片、冷却肋片或其他表面扩大结构。

此外，可以至少在第一和第二载体之间和/或至少在载体和冷却元件之间布置连接层。连接层可具有以下材料中的一种或多种材料：

-玻璃；

-金属，尤其是选自例如用于烧结层的微银（μAg）、例如用于基于热超声键合（Thermosonic Bonding）的连接技术的Ag、Au、例如用于基于热压键合的连接技术的AuSn、例如用于焊接的SnAgCu、Cu-Si₃N₄-Cu；

-陶瓷，例如Si₃N₄或优选AlN；

-热传导粘合剂，例如填充有Si₃N₄和/或AlN的环氧树脂。

此外，可能也有可能的是，第二载体具有印刷电路板（PCB：“printed circuitboard”）或被构造为印刷电路板。

此处描述的电子器件允许将有源和无源功能结构或部件集成到热衬底中，同时确保结构或部件例如通过导热和/或导电通孔在衬底处/在衬底中的热和/或电连接以及确保如此创建的总系统尤其是以热和/或电的方式的外部接触可能性。此外，电子器件能够在更高的功率密度情况下以及在更高的机械、尤其是热机械载荷情况下实现微型化，并且能够在高达175°C或更高的温度下实现运行。

电子器件此外能够实现与在功能部件和结构陶瓷和冷却系统之间的热机械膨胀的良好适配。此外，通过为系统封装使用尽可能少的不同连接方法或接合方法，以及通过在很大程度上使用所谓共烧工艺、诸如HTCC（“high temperature cofired ceramics”，高温共烧陶瓷）或LTCC（“low temperature cofired ceramics”，低温共烧陶瓷）尤其是用于在单层或多层结构中制造载体及其电和/或热过孔、印制导线和内部电极，简化的制造可能也是可能的。

此外，通过内部电极的适当构型和在衬底几何形状、尤其是还有衬底内部几何形状设计中的可能空腔设计以及可能的其他无源功能性、尤其是例如可变电阻和/或PTC部件和/或NTC部件（PTC：“positive temperature coefficient, 正温度系数”，正温度系数热敏电阻；NTC：“negative temperature coefficient, 负温度系数”，负温度系数热敏电阻）的功能性、通过合适地选择衬底陶瓷或衬底陶瓷的部分，电子器件可以使得能够使用衬底陶瓷用于映射无源功能，例如尤其是电容器和/或导电体功能性，在基于ZnO的载体的情况下尤其还有可变电阻功能性。

尤其是，此处描述的电子器件可以具有以下特征中的一个或多个特征：

-将第一载体和/或第二载体构建为热衬底、尤其是构建为多层衬底，其具有一个或多个腔和一个或多个集成式功能部件。

-将功能部件直接热连接到冷却系统、尤其是一个或多个冷却元件。

-对功能部件密闭地进行封装。

-尤其是通过与第二载体组合地使用第一载体和/或通过将两个冷却元件布置在第一载体的不同侧上或由两个载体组成的组合的不同侧上，对称地构建用于补偿热机械应力。

-通过对称地连接半导体芯片可以充分利用更好的导热性。

当前描述的技术使得能够构建电子器件、尤其是紧凑型功率模块、诸如IGBT模块或功率MOSFET模块，其与现有技术相比具有以下有利特性中的一个或多个：

-更高的机械稳健性；

-更高的功率密度；

-较低的热阻；

-在部件和热结构陶瓷之间的热膨胀差异的改善的适配；

-至冷却系统的更好的连接可能性；

-简化的制造方法。

附图说明

其他优点、有利的实施方式和改进方案从下面结合图所描述的实施例中得出。

图1示出根据一个实施例的电子器件的示意图，

图2示出根据另一实施例的电子器件的示意图，以及

图3示出根据另一实施例的电子器件的示意图。

具体实施方式

在实施例和图中，相同、类似或作用相同的元件分别可以配备有相同的附图标记。所示出的元件及其彼此间的尺寸关系不应视为按比例的，相反地可以过度大地示出各个元件、诸如层、构件、器件和区域，以便更好地可表示和/或以便更好地理解。

在图1中示出针对电子器件100的实施例。

电子器件100具有导热衬底形式的第一和第二载体1、1'，所述载体分别具有陶瓷件，所述陶瓷件具有导热陶瓷材料、例如AlN、尤其是多层AlN、BN、Al₂O₃、SiC、SiN、ZnO和/或BeO。载体1、1'在陶瓷件的上侧具有金属层6、例如选自Cu、Ag、W、Mo、Ti、Au、Ni、Zn以及与其的混合物和合金的材料。尤其是，载体1、1'如所示可以分别以夹层结构的形式构造，其中陶瓷件布置在金属层6之间。

载体1、1'尤其是以多层技术、尤其是LTCC或HTCC来构造，并且具有集成式内部电极和印制导线9以及电和热通孔8。印制导线和电连接通孔在载体1、1'中构成布线结构和布线层面，而热通孔提供至冷却系统的集成式连接。为此，冷却元件2施加在由第一和第二载体1、1'组成的层压件的外侧，所述冷却元件纯示例性地构造为具有带有集成式散热片的冷却器的空气冷却器。此外，散热器和/或水冷却器也是可能的。第二载体1'的热通孔8使得能够有效地将热量从下面描述的半导体芯片3运送到布置在第二载体1'上的冷却元件2上。

载体1、1'在陶瓷材料中和/或在金属层6中具有腔5用以集成半导体芯片3和功能部件4。在所示的实施例中，第一载体1在金属层6和陶瓷材料中具有腔5，其中半导体芯片3、例如晶体管芯片、诸如IGBT或MOSFET、另一功率半导体器件或发光二极管芯片下沉地布置在所述腔中并且经由先前描述的布线结构以电和热的方式被连接。有源或无源功能部件4布置在其他类似的腔5中。腔5可以特别优选地鉴于半导体芯片3或部件4精确适合地（passgenau）构造。

通过将第二载体1'布置在第一载体1的腔5上方可以密闭地封装布置在腔中的元件。第二载体1'在金属层6中具有腔5，其中功能部件4同样布置在所述腔中并且以电和热的方式被连接。通过将冷却元件2中的一个冷却元件布置在其上方，也可以密闭地密封该腔。如在用于半导体芯片3的腔5的情况下所表明的，腔5可以填充有导热填料、例如导热塑料材料形式的浇注件10。此外，浇注材料也可以具有或可以是精研磨的陶瓷粉、例如AlN，或者基质材料、诸如具有嵌入的陶瓷粉（例如AlN）的玻璃或塑料。功能部件4可以是相同的或不同的，并且可以例如选自PTC元件、NTC元件、可变电阻、导电体、多层器件、电感、电容、欧姆电阻。

连接层7布置在载体1、1'之间以及载体1、1'分别之一与布置在其上的冷却元件2之间。连接层7可以全部相同或不同地构造并且可以例如具有玻璃、金属或陶瓷材料、例如Si₃N₄、AlN、Ag、Au、AuSn和/或SnAgCu。此外，热传导粘合剂也是可能的。有利的连接技术例如可以是如下内容：

-陶瓷-玻璃-陶瓷；

-陶瓷-金属-陶瓷，尤其是利用μAg的银烧结、利用Au的热超声键合、利用AuSn、Au的热压键合、利用AuSn、SnAgCu、Cu-Si₃N₄-Cu的焊接。

在图2中示出了针对电子器件100的另一实施例，该电子器件除了可以构造为功率半导体和/或构造为倒装芯片的半导体芯片3之外还具有在第一和第二载体1、1'中的腔中的或者由第一或第二载体1、1'的部分区域构成的大量功能部件4-1、...、4-9，其中为了清楚起见，腔未配备附图标记。所示的功能部件4-1、...、4-9的数量、连接方式（Anbindungsweise）和布线应纯示例性地理解，并且可以不同于图2所示的实施例。

与以前的实施例相比，图2中所示的电子器件100不具有冷却元件。替代于此，也可以存在如结合图1描述的冷却元件。第一和第二载体1、1'分别以多层技术制造，并且利用衬底陶瓷、例如结合前述实施例提及的陶瓷材料构成陶瓷衬底。

功能部件4-1、...、4-9可以是相同的或不同的，并且可以例如选自有源或无源部件、例如PTC元件、NTC元件、可变电阻、导电体、多层器件。尤其是，在所示的实施例中，部件4-1、...、4-5是无源部件。在所示的实施例中，部件4-1和4-4两者均是SMD安装的（SMD标准），其中部件4-4布置在非导电浇注件10中。部件4-2和4-5两者均是侧向SMD安装的，其中部件4-5同样布置在非导电浇注件10中。部件4-3是垂直SMD安装的。部件4-6被构造为导电体。部件4-7被构造为由第二载体1'的部分区域构成的具有衬底陶瓷的多层器件，而部件4-8被构造为由第二载体1'的部分区域构成的具有集成在载体1'中的功能陶瓷的多层器件。部件4-9是构造为倒装芯片的无源器件。

除了所示的部件之外，在所示的实施例中可以经由膏来实现功能部件、诸如电阻、电感和/或电容。

替代于所示的实施例，图1中所示的上面的冷却元件也可以直接布置在第一载体上，并且因此可以直接布置在第一载体中的腔上，使得电子器件于是仅具有一个载体。此外，还可以也不存在上半部，即在图1中第二载体和布置在其上的冷却元件，使得电子器件于是可以具有图1中所示的实施例的一半结构。此外，第二载体也可以构造为PCB。

在图1和2中示出了针对电子器件的实施例，其中，半导体芯片完全下沉地布置在载体中的腔中。在图3中示出了针对电子器件100的另一实施例，其中，半导体芯片3部分下沉地布置在第一载体1中的腔5中。在此情况下，腔5具有比半导体芯片3的厚度更小的深度，使得半导体芯片3部分地从腔5中突出。第二载体1'布置在其上方，所述第二载体1'具有相应的腔5，半导体芯片3的突出的部分布置在该相应的腔中。特别优选地，第一载体1的腔5和第二载体1'的腔5可以对称地构造，使得从图解上讲，在载体1、1'的每一个载体中仅设置一半位置。

此外，可能也可能的是，第一载体1和第二载体1'鉴于其整个结构是对称的。电子器件100可以具有根据两个前述实施例的其他特征、元件、特性和部件。

即使没有明确地描述所有组合，结合图描述的特征和实施例也可以根据其他实施例被彼此组合。此外，结合图描述的实施例可替代地或附加地可以具有根据在一般性部分中的描述所述的其他特征。

本发明不由于根据实施例描述而局限于这些实施例。相反地，本发明包括每个新的特征以及特征的每种组合，这尤其是包含专利权利要求中的特征的每种组合，即使该特征或该组合本身在专利权利要求或实施例中未明确地予以说明。

附图标记列表

1 第一载体

1' 第二载体

2 冷却元件

3 半导体芯片

4、4-1、...、4-9 功能部件

5 腔

6 金属层

7 连接层

8 通孔

9印制导线

10 浇注件

100 电子器件。