阅读说明：本技术 金属陶瓷模块及其制造方法、电路板模块及其制造方法 (Metallized ceramic module and its manufacturing method, circuit board module and its manufacturing method ) 是由 托马斯·戈特瓦尔德 克里斯蒂安·勒斯勒 于 2019-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种电力电子的金属陶瓷模块(10),金属陶瓷模块具有由陶瓷载体(14)构成的金属陶瓷基底(12),陶瓷载体具有金属顶层(16)和金属底层(18),金属陶瓷基底在金属顶层(16)和/或金属底层(18)之上或者之中接合形成框架(24)的金属层(16、18、22、23)和容纳在框架(30)中的至少一个电子构件(30),该框架用于容纳至少一个电子构件(30)。(The present invention relates to a kind of metallized ceramic module of power electronics (10), metallized ceramic module has the cermet substrate (12) being made of ceramic monolith (14), ceramic monolith has metal top layer (16) and metal back layer (18), cermet substrate on metal top layer (16) and/or metal back layer (18) or among engagement form the metal layer (16 of frame (24), 18, 22, and at least one electronic component (30) for being contained in frame (30) 23), the frame is for accommodating at least one electronic component (30).)

金属陶瓷模块及其制造方法、电路板模块及其制造方法

技术领域

本发明涉及电力电子的金属陶瓷基底的领域，并且尤其涉及用于电气和电子的电路或模块的金属陶瓷基底。本发明还涉及具有集成的电力电子的金属陶瓷模块的电路板模块。

背景技术

根据现有技术，金属陶瓷基底、特别是用于电气和电子的电路或模块的金属陶瓷基底、即特别是作为用于这种电路或者模块的电路板在不同的实施例中是已知的。

DE 10 2016 214 607 A1公开了一种电力电子模块，其由具有嵌入的半导体元件的第一层复合体和与第一层复合体接合的、平的第二层复合体构成，该第二层复合体设计为陶瓷基底并且用于第一层复合体的散热。

DE 10 2016 106 137 A1公开了一种电子设备壳体，其包括作为至少一个半导体芯片的载体的陶瓷DCB(直接接合铜)层。该半导体芯片包括至少一个接触垫，在接触垫上设有接触单元，并且在半导体芯片和接触元件上设有介电层，在介电层上又施加封装材料。

此外，还已知所谓的“DCB方法”(DCB：直接接合铜)，其用于将金属层或者金属片(例如铜片或铜箔)与陶瓷或陶瓷层连接。用于制造所谓的DCB基底的DCB方法例如从US 3,744,120、DE 2 319 854 A1、DE 2 213 115 A、EP 0 153 618 A1和DE 10 2010 049 499 A1中已知。

发明内容

由此，根据本发明提出：具有权利要求1的特征的电力电子的金属陶瓷模块和具有权利要求4的特征的方法、以及具有权利要求11的特征的用于制造具有集成的电力电子的金属陶瓷模块的电路板模块的方法、以及具有权利要求16的特征的具有集成的电力电子的金属陶瓷模块的电路板模块。

本发明的基本构思是：提供一种用于嵌入到电路板结构中的金属陶瓷模块，以便以如下方式形成用于高电压应用的电路板模块，即在金属陶瓷基底的金属层之中或之上形成用于容纳至少一个电子构件的框架，并且在装配至少一个电子构件之后接合如此形成的层序列。

在本发明的范畴中，术语“框架”被理解为设计用于在金属层中容纳电子构件的空隙部(框架因此是金属框架)。空隙部的尺寸为了这种容纳而匹配于电子构件的大小。根据金属层的厚度，空隙部能形成(具有穿过金属层的连贯开口的)连贯的框架或者(作为金属层中的凹部的)不连贯的框架。

“接合(Fuegen)”表示：使用根据标准DIN 8580(六个制造主要分组中的一个(第四个))的制造技术，利用制造主要分组将两个或者多个固体以几何上确定的造型持久地连接(接合)。在此，有时还使用所谓的“无定形材料”，其形状不被限定。各个制造分组在标准DIN8593中被更详细地确定。其中最重要的尤其是焊接、以及钎焊和粘合。在目前的情况下，尤其考虑烧结、焊接、扩散焊接或类似工艺作为可行的接合工艺。

在此，金属陶瓷基底被理解为具有金属顶层和金属底层的任何一种陶瓷载体，其特别是覆铜的陶瓷载体、例如DCB基底(DCB：直接铜键合)。这种基底对于电力电子领域的技术人员是已知的。

用于装备金属陶瓷基底的电子构件能够例如是功率半导体、芯片、裸芯片、晶体管，晶体管例如是FETs(场效应晶体管)，MOSFETs(金属氧化物半导体场效应晶体管)，IGBTs(绝缘栅双极型晶体管)或类似物。

在本发明的范畴中，电路板模块基本上被理解为电路板形式的任何一种层结构，其能够独立地作为电路板、例如冷却元件上的用于互联的模块使用，还能作为设置用于嵌入更大的电路板中的中间产品(半成品)使用。

本发明给出用于制造电力电子的金属陶瓷模块的节约的方法，该金属陶瓷模块作为独立的部件能够容易地且以小的开销压到电路板结构中。根据本发明证明有利的是：钻孔不必穿过陶瓷体。另外，通过围绕电子构件的金属框架，在层压过程中将均匀的压力施加到陶瓷体上，从而减小了层压过程中损害陶瓷载体的危险。此外，金属框架的存在导致更好的散热。

本发明特别适用于高电压应用，并且开创了陶瓷体与散热器的良好的连接可行性。此外，本发明能够以简单的方法和方式实现当作有利的对称的层结构。优点在于：用于接触构件的盲孔能够安装在同一水平面上，并且因此能够避免将不同深度的盲孔金属化的困难。本发明提供了一种层结构，其由于在电子构件与相对置的金属外层之间使用陶瓷载体而提供了电绝缘以及良好的热传导性能。

本发明的其他优点和实施方案由说明书和附图给出。

应当理解，上述特征和下面要说明的特征不仅能在分别说明的组合中使用，还能在其他组合或者单独方案中使用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

本发明根据附图中展示的实施例进行示意性地说明，并且下面将参考附图详细地说明。

图1以横向剖面示意图示出了作为本发明的金属陶瓷模块的起点的金属陶瓷基底；

图2示出了在将金属顶层结构化之后的、源自图1的金属陶瓷基底；

图3示出了将AVT材料施加到结构化的金属顶层之后的、源自图2的金属陶瓷基底；

图4示出了在施加了框架和放置在框架中的电子构件之后的、源自图3的金属陶瓷基底；

图5示出了源自图4的以及在平面图中具有标记的切线IV-IV的层序列；

图6示出了通过接合源自图4的层序列获得的金属陶瓷模块；

图7示出了具有对称的层结构的、源自图6的金属陶瓷模块的另外的实施方案(金属底层上有附加的金属层)；

图8以横向剖面示意图示出了将图6的金属陶瓷模块引入电路板基架的第一步骤；

图9示出了通过压制源自图8的具有预浸料层和铜箔的层序列而获得的电路板模块；

图10示出了源自图9的、具有在电子构件和内置铜层上的金属化通孔的电路板模块；

图11示出了根据本发明的具有对称层压的金属陶瓷模块的电路板模块的变化方案；

图12示出了根据本发明的具有对称层压的电路板模块的、但具有超出周围金属框架的电子构件的另一个变化方案；

图13示出了具有另外的尺寸的陶瓷载体和框架金属层的、根据本发明的电路板模块的另一个变化方案；

图14以横向剖面示意图示出了作为本发明的金属陶瓷模块的可选方案的起点的、另外的金属陶瓷基底；

图15示出了源自图14的金属陶瓷基底，其具有作为用于容纳电子构件的框架的、置入的凹部；

图16示出了具有装入的电子构件的、源自图15的金属陶瓷基底。

具体实施方式

附图中相同或相似的元件具有相同的附图标记。

图1到图7的图示出了根据本发明的、用于制造电力电子的金属陶瓷模块10的方法的可行的顺序。在此需要再次强调的是：这是高度示意性的和不按比例展示的层序列，其仅用于说明根据本发明的方法顺序。特别是，只要在描述中没有其他的实施方案，图示不适用于推导各个层的大小的或厚度的关系。

图1以横向剖面示意图示出了金属陶瓷基底12，其包括具有金属顶层16和金属底层18的陶瓷载体14。金属顶层16和金属底层18例如特别是铜层。这种金属陶瓷基底例如能够作为所谓的DCB(DCB：直接铜键合)基底获得(参见前面的说明书中的实施方案)。本领域技术人员例如考虑将AL₂O₃、ALN(氮化铝)或者其他常用的化合物作为陶瓷材料。陶瓷的层厚度通常为大约100μm至大约1000μm，金属层的厚度通常也在大约100μm至大约1000μm之间。

在下一步中，金属顶层16和/或金属底层18能够以已知的方法和方式被结构化，以便形成导电路径或导电结构(例如通过蚀刻或者其他本领域技术人员常用的方法)。在所示的实施例中，为了说明只将金属顶层16的一部分结构化。提出的是：以与金属顶层16相同的方式来形成或者结构化金属底层18，如图2至图7中所展示的那样。由此，能够将在层与陶瓷层之间可能出现的应力最小化，并且使电势之间的漏电路径最大化。

图3示出了将由AVT(AVT：构造和连接技术)材料组成的层20施加到金属顶层16之后的、源自图2的层序列。在此涉及支持随后的接合工艺的材料，其表示之前DIN标准定义方面的“无定形材料”。在本发明的范畴中提供了这种连接材料，其例如是烧结膏(Ag、CuSn)、焊料、扩散焊料或类似物。作为图中所示的施加到金属层上的方案的替代方案，所使用的AVT材料可以施加在待配备的电子构件和/或金属框架22/24的背面或者底侧上。如果需要实现对称的层结构，则还能够将相应的AVT层21施加在金属底层18上(也参见图7)。

随后，金属层22(特别是铜层)被施加到金属顶层16和在可能的情况下的AVT层20上(参见图4)。根据本发明，铜层/金属层22形成为框架24，该框架展示出用于容纳至少一个电子构件30的空隙部。根据本发明，框架24能够具有多个这样的空隙部以用于容纳多个电子构件；原则上也能够考虑的是，可选地或者附加地将两个或者多个电子构件装入到框架24的单个空隙部中。用于形成框架24的空隙部通过例如冲压、蚀刻或其他本领域技术人员已知的方式制成。作为已描述的AVT层20的补充或者替代，能够将粘合促进剂以及其他适合的AVT材料施加到金属层16、18、22、23的或者电子构件30的、全部待接合的金属面上。

图4示出了已经装入到铜层22的框架24中的电子构件30，其例如是芯片、晶体管或类似物。装配的次序是可变的，因此能够在将构件30装入到空隙部中之前首先施加铜层22，或者在一次操作过程中施加框架24和构件30。当然也能想到的变化方案是：首先施加构件30并且随后施加框架24。

图5示出了源自图4的形成的层序列SL以及关于铜框架24和装入其中的构件30的(略有缩小的)平面图。标记的切线IV-IV对应于图4的截面图。

从图4和图5的图示一方面能够看出：铜层22的以及框架24的厚度d22对应于构件30的厚度d30或者高度。另一方面能够看到构件30与环绕的框架24之间的间距或者间隙g。这些间距g源于如下的情况，即框架空隙部的内部尺寸略大于待装入的构件的外部尺寸。

根据AVT层20与铜层22的和电子构件30的底侧之间的、标记的间距，仅需要说明的是：在此不存在固定的连接，而是仅仅使用铜层22和构件30。当然，事实上在此不存在间距。

在接合如此产生的层序列SL的后续工艺步骤之后，如图6所示，生成了装备的层序列SL的根据限定的、固定和持久的连接，其形成根据本发明的电力电子的金属陶瓷模块10。如之前已经实施的方案，以本领域技术人员已知的方式和方法进行接合，例如通过烧结、焊接、扩散焊接或类似工艺实施。如从图6的图能够看出：在电子构件30与环绕其的框架24之间的、已描述的间隙g在成功接合之后仍然(至少部分地)存在。

图7示出了在接合步骤之前的可选的层序列SL，其中AVT层21施加在金属底层18上，在该AVT层上又布置有金属层或者优选的铜层23，该AVT层在随后的接合步骤中与金属底层18固定地连接。可选地，铜层23能够同样形成为用于容纳电子构件(未示出)的框架，从而实现完全对称的层序列。

根据本发明制造的电力电子的金属陶瓷模块10的特性在于另外施加的并且形成框架的金属层22、23，该框架用于容纳至少一个电子构件30。如此产生的金属陶瓷模块10表示中间产品或者半成品，其为了形成电路板模块被设置用于嵌入到电路板结构中。

在图8至图12示出了根据本发明的电路板模块的制造顺序。

图8示出如何将根据本发明的金属陶瓷模块10(在此：图6的金属陶瓷模块)引入电路板结构中，以使根据本发明的电路板模块形成为半成品。

首先提供由电路板载体材料42(例如由FR4(环氧树脂材料))制成的电路板基架40。如所示实施例那样，基架40能够例如是涂覆金属的或者覆铜的载体材料42。覆铜部由顶部的铜层44和底部的铜层46组成。电路板载体材料42具有用于容纳至少一个金属陶瓷模块的、至少一个贯穿的空隙部48。金属陶瓷模块10被装入空隙部48中。为此，基架40(FR4框架)能够例如布置在所谓的冲压板上，基架优选具有***的膜/分隔膜，以便防止在随后的压制期间流出的液化树脂。

电路板基架40具有厚度d40或高度，其基本上对应于陶瓷基板(必要时考虑金属顶层或者金属底层的结构化)的厚度dKS或高度(参见图6)。

在电路板基架40和金属陶瓷模块10上施加有例如是预浸料层的多个绝缘层50、54。第一绝缘层或者预浸料层50用于对具有整体更高的金属陶瓷模块10的基架40进行高度补偿，并且为此具有切口52，以使第一预浸料层50能够围绕铜框架22的结构以及容纳在其中的构件30的结构放置。由此实现高度补偿。然而，考虑到随后的层压工艺，绝缘层的厚度通常选择成稍微更厚的，以使基架40的厚度d40和第一预浸料层50的厚度d50略微超过金属陶瓷模块10的总高度d10(d40+d50≥d10)。

在由此产生的基本平的表面上施加另外的连续的第二预浸料层54，其后跟随铜膜56。原则上，除了已知的和已证明的预浸料层之外，具有或不具有玻璃纤维织物的其他绝缘层也适合于该工艺。例如，目前能够在薄膜上获得干燥的树脂层，树脂层也具有预浸料特性，特别在按压和加热时液化并且随后固化。

随后，这样得到的层结构以本领域技术人员已知的方法和方式被压制或者层压，由此预浸料层50、54的树脂被液化，并且置入到金属陶瓷模块10与基架40之间的间隙49中，并且尤其进入构件30与铜框架22之间的间隙g中，并且因此生成了根据本发明的具有集成/嵌入的电力电子的金属陶瓷模块的电路板模块60的、单元化的基本结构(参见图9)。

当在层压期间液化的树脂58被压制/层压和随后硬化之后，以本领域技术人员已知的方法和方式从由金属膜56或者陶瓷膜产生的、电路板模块60的顶部的铜外层中产生金属化通孔V1、V2、V3，例如通过形成盲孔的钻孔(激光钻孔)方式，以使嵌入的金属陶瓷模块10的或者说电路板基架40的电子构件30和内置的铜层22、24接触(参见图10)。

在此要指出的是：图10示出了相对于图9的电路板模块60的可替换的实施方案，其中电路板基架40具有明显更大的厚度d40(由在载体材料42上显著更厚的铜层44、46获得)，这基本上对应于嵌入的金属陶瓷模块10的总高度d10。在这种情况下，能够省去上面所述的、为了高度补偿而切割的第一预浸料层50。然后放置仅一个或者多个连续的预浸料层54，计量其厚度和树脂含量，从而提供足够的树脂以填充层压期间的所有间隙和空腔。

在图9和图10所示的根据本发明的电路板模块60的两个变化方案中，嵌入的金属陶瓷模块10的金属底层18形成底部的金属外层，从而能够在此提供直接连接散热器的可能性。本领域技术人员当然熟知：在这种连接之前，要在层压工艺期间清洁可能泄露树脂的电路板模块的底侧。

图11示出了根据本发明的电路板模块60的另一个变化方案，其具有对称的层结构，其中在电路板基架40之下引入了另外的绝缘层或者预浸料层59以及金属膜57/铜膜，以形成底部的金属外层。因此，金属陶瓷模块利用放置在电路板结构之下或之上的树脂层58、59完全嵌入或置入到电路板结构之中。相应地，类似于图10的实施例，金属化通孔V4也由底部的金属外层57形成，以便与金属内层18接触。金属层44和46能够在这种结构中用于低电感的电流传导。在这种情况下，选择底部的绝缘层59的厚度以相对于散热器满足绝缘要求，该散热器然后将安装到(底部的)金属外层57处。

图12示出了根据本发明的电路板模块60的另一个变化方案，其同样具有结合图11所描述的、对称的层结构和底部相应的金属化通孔V4。与目前为止所描述的实施例不同的是：在图12中的变化方案中，形成用于容纳电子构件30的框架24的铜层22设计具有更小的厚度d22(即d22<d30)。因此，装入的电子构件30在一定程度上突出超过其环绕的框架24。这导致：相应的金属化通孔V2为了与铜内层22接触而必须设计得更深，如图12的图所示。例如，在顶部的外层有更高的绝缘要求的情况下，能够选择具有更小的框架厚度的这种设计方案。绝缘层是相对薄的(参见图10和图11的图)，以在高电压应用(大约5kV到10kV或更高)中，在根据本发明的电路板模块的期望的应用中，如图所示，为了增大绝缘层，电路板模块必要时选择得更薄，以减小或者消除高压击穿的危险。如果基架的金属层44、46要承载高压，则这些考虑必要时也能够用于基架40的设计方案(也就是减小d40)。

借助图10至图12中所示的金属化通孔或者通孔V1至V4的接触仅仅是示例性的，并且能够由本领域技术人员根据具体的外形要求或者电路板设计依据他们的专业判断/评估形成。因此，未示出的接触例如也能经由铜框架向下进行，和/或在电路板基架40的附图的图中位于左侧的区域中，铜内层44能够与构件30的顶侧进行连接。如果电子构件30是晶体管(栅极连接未示出)，则所示的连接能够例如是源极连接和漏极连接。

然后，为了说明，图13示出了具有嵌入的根据本发明的电力电子的金属陶瓷模块的、根据本发明的电路板模块60的另一个变化方案，其陶瓷载体14与之前所描述和所示的变化方案相比具有更小的厚度，而形成框架24的金属层22明显设计得更厚。在图13的变化方案中，用于容纳电子构件30的框架24不设计为连续的，而是仅设计为空隙部，该空隙部的尺寸对应于构件的尺寸。

图13中所示的电路板模块60的结构能够例如以类似于图1所示的方式制造。可选地，具有作为框架24使用的空隙部的金属层22能够预先装备并且接合电子构件30，以便然后作为具有构件(引线框架或者引线框架封装)的预制单元被施加并且接合到金属陶瓷基底12(必要时到作为中间层的已经描述的相应的AVT层)上。

在图14至图16中示出：作为另外的变化方案，框架24(类似于图13的实施方案中凹部的形式)为了容纳电子构件30被引入金属陶瓷基底(12)的金属顶层16中。为此，借助于合适的并且本领域技术人员已知的技术、例如蚀刻、铣削或类似工艺，在金属顶层16中生成匹配于待容纳的电子构件30的尺寸的凹部(参见图14/15)，该凹部作为用于容纳电子构件30的框架24(图16)。

本领域技术人员当然明白：图9至图13中所示的情况是能够任意组合的。因此，例如在图9的变化方案中也能够实现如在图11和图12的变化方案中的对称的层结构，或者图12的、具有较低的框架24的变化方案能够用在如图9或图10所示的层结构中。