(57)【要約】  電子コンポーネントモジュールおよび電子コンポーネントモジュールの製造方法である。本発明は、電子コンポーネントモジュールに関しており、この電子コンポーネントモジュールは、少なくとも１つのセラミック回路担体（２、３）と、少なくとも１つのヒートシンク（４）を備えた冷却装置とを有している。ここでセラミック回路担体（２、３）と冷却装置（４）の間に接続領域（５、７；６、８）が、回路担体（２、３）と冷却装置（４）を接続するために構成されており、この接続領域（５、７；６、８）は、（セラミック材料との接続のために形成された）少なくとも部分的に金属から構成された接続層（５、６）と共晶領域（７、８）とを含んでいる。本発明はこの種の電子コンポーネントモジュールの製造方法にも関している。
2010516051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子コンポーネントモジュールであって、
少なくとも１つのセラミック回路担体（２、３）と、
少なくとも１つのヒートシンクを備えた冷却装置（４）とを有している形式のものにおいて、
前記セラミック回路担体（２、３）と前記冷却装置（４）の間に接続領域（５、７；６、８）が、前記回路担体（２、３）と前記冷却装置（４）を接続するために構成されており、
当該接続領域（５、７；６、８）は、少なくとも部分的に金属から構成された接続層（５、６）と共晶領域（７、８）とを含んでいる、
ことを特徴とする電子コンポーネントモジュール。
【請求項２】
前記共晶領域（７、８）は、前記接続層（５、６）と金属製冷却装置（４）との間に配置されている、請求項１記載の電子コンポーネントモジュール。
【請求項３】
前記接続領域（５、７；６、８）は全面で、前記回路担体（２、３）と冷却装置（４）の間に構成されている、請求項１または２記載の電子コンポーネントモジュール。
【請求項４】
前記金属製接続層（５、６）は、金属ペーストとして、前記回路担体の個別層を前記冷却装置と組み合わせる前に少なくとも領域的に前記回路担体（２、３）上に被着されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電子コンポーネントモジュール。
【請求項５】
前記回路担体はセラミックＬＴＣＣ回路担体（２、３）として構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電子コンポーネントモジュール。
【請求項６】
前記回路担体はセラミックＬＴＣＣ回路担体（２、３）として構成されており、前記冷却装置（４）との反応接合形成のための前記共晶領域（７、８）は、セラミック回路担体（２，３）の個別層を接続するためのＬＴＣＣプロセスの間に形成される、請求項１から５までのいずれか１項記載の電子コンポーネントモジュール。
【請求項７】
前記ヒートシンク（４）は少なくとも１つの面で、ラテラル方向に、前記回路担体（２、３）の大きさを超えて延在している、請求項１から６までのいずれか１項記載の電子コンポーネントモジュール。
【請求項８】
前記回路担体（２、３）と、前記接続領域（５、７；６、８）と、前記冷却装置（４）との間の接続は、８４０℃〜９３０℃の間、殊に約９００℃での焼結温度での焼結プロセスによって構成される、請求項１から７までのいずれか１項記載の電子コンポーネントモジュール。
【請求項９】
電子コンポーネントモジュール（１）の製造方法であって、
少なくとも１つの多層セラミック回路担体（２、３）を構成し、少なくとも１つのヒートシンクを備えた冷却装置（４）と接続する形式の方法において、
前記回路担体（２、３）と前記冷却装置（４）を、接続領域（５、７；６、８）によって接続し、当該接続領域（５、７；６、８）は、セラミック材料との接続のための、少なくとも部分的に金属から形成されている接続層（５、６）と共晶領域（７、８）から構成されている、
ことを特徴とする、電子コンポーネントモジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記回路担体（２、３）の個別層を接続するためのプロセスの前に、金属製ペーストを前記回路担体（２、３）および／または前記冷却装置（４）上に被着させ、ここから、前記金属製接続層（５、６）を、前記回路担体（２，３）の個別層を接続するプロセスの間に構成する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記共晶領域（７、８）を、前記金属製接続層（５、６）と前記冷却装置（４）との間に構成する、請求項９または１０記載の方法。
【請求項１２】
前記共晶領域（７、８）を、前記回路担体（２，３）と、前記接続層（５、６）と前記冷却装置（４）とを接続する間に形成する、請求項９〜１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
前記共晶領域（７、８）を、前記回路担体（２，３）と、前記接続層（５、６）と前記冷却装置（４）とが相互に接続されるプロセス温度よりも低い融解温度での材料接続によって構成する、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記回路担体（２、３）、前記接続層（５、６）および前記冷却装置（４）を、８４０℃〜９３０℃の間、殊に約９００℃での温度での焼結によって接続する、請求項１２または１３記載の方法。
【請求項１５】
前記回路担体（２，３）をセラミックＬＴＣＣ回路担体（２、３）として構成し、前記冷却装置（４）との反応接合形成のための前記共晶領域（７、８）を、セラミック回路担体（２、３）の個別層を接続するためのＬＴＣＣプロセスの間に、前記接続層（５、６）と前記冷却装置（４）との間に形成する、請求項９から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
前記接続層（５、６）を少なくとも部分的にガラスから構成し、殊にシルクスクリーン印刷によって印刷し、次に温度処理する、請求項１２から１５までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、少なくとも１つの多層セラミック回路担体と、少なくとも１つのヒートシンクを備えた冷却装置とを備えた電子コンポーネントモジュールに関する。さらに本発明は、このような電子コンポーネントモジュールの製造方法にも関する。
【０００２】
従来技術
複数の多層回路担体を備えた電子コンポーネントモジュールが知られている。これは例えばＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミックス）によって製造される。これは複数の個別層からセラミック回路担体を製造するための高性能な技術である。このために、セラミックの焼結されていないグリーンフィルムが、開口部を打ち出すことによる電気的貫通接続のために設けられる。この開口部は導電性のペーストによって充填され、フィルムの表面にはシルクスクリーン印刷方法において、平らな線路構造が設けられる。次に多数のこのような個々の層が相互に重ねられ、比較的低い温度で焼結される。このプロセスは、多層の、埋設されたレイアウト構造を供給する。これは、パッシブ回路素子を組み込むのに使用される。さらにこれによって、非常に良好な高周波特性を有するレイアウト構造が実現され、ハーメッチックにシーリングされ、良好な熱耐性を有する。このような特性によってＬＴＣＣ技術は不都合な環境における使用、例えば高周波技術、例えば無線およびレーダー領域におけるセンサに対して、およびパワーエレクトロニクス、例えば車両技術、トランスミッション制御およびエンジン制御において適している。しかし熱に関する要求の高い用途はしばしば、材料の比較的悪い熱伝導性によって制限されてしまう。この材料は典型的に、２Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有している。一般的に表面実装構成素子として、このようなＬＴＣＣモジュールの一部であるアクティブな半導体部材を冷却するためには、ヒートシンクの上にＬＴＣＣ基板を取り付けるだけでは十分ではない。殊に、ＬＴＣＣ基板を、ヒートシンク上にはんだ付けすること、または接着することは、十分ではない。このようなはんだ付けまたは接着はJ. Schulz Harder等著「Micro channel water cooled power modules（第1〜６頁、PCIM 2000 Nuernberg）」に記載されている。
【０００３】
ＬＴＣＣセラミックは標準的なプロセスにおいて、銀によるメタライゼーションとコンパチブルである。従ってＬＴＣＣ基板に対する通常のソリューションは、熱的なビアを組み込むことである。このビアは、垂直な貫通接続部である。この貫通接続部は銀が充填された、導電性ペーストによって充填され、主に、熱放出に用いられる。このようにして、２０Ｗ／ｍＫの平均的な熱伝導率が得られる。銀充填フィルムと組み合わせで、９０Ｗ／ｍＫの値および１５０Ｗ／ｍＫの値が、垂直ないしは水平な方向で得られる。これはM.A.Zampino等著「LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger（Proc. Internat. Symp. on Microelectronics 2003, Internat. Microelectronics and Packaging Society (IMAPS)18.-20.11.2003 Boston, USA ）」に開示されている。
【０００４】
別のソリューションは、高い熱損失を備えた半導体ＩＣ（集積回路）をＬＴＣＣプレートの切り欠き内に直接的にヒートシンク上に取り付けることである。これは例えば、パワー増幅器である。
【０００５】
さらに、液体が充填されたチャネルを組み込むことをベースにしたソリューションが公知である。ここでは冷却は、高い熱容量を備えた液体（例えば水）の対流によって行われる。これはJ. Schulz Harder等著「Micro channel water cooled power modules」およびM.A.Zampino等著「Embedded heat pipes with MCM-C Technology (Proc. NEPCON WEST 1998 Conference Vol.2, Red Exhibition:Norwalk, CT USA 1998（第777頁〜785頁  Vol2. (Conf. Anaheim, USA 1.-5.03.1998)）」による上述の従来技術に記載されている。
【０００６】
この文献に挙げられたソリューションは熱搬送のために冷却液体の熱容量を使用せず、相移行の潜熱を使用する。これはM.A.Zampino等著「LTCC substrates with internal cooling channel and heat exchanger」およびW. K. Jones等著「Thermal management in low temperature cofire ceramic (LTCC) using high density thermal vias and micro heat pipes/spreaders (Proc.Internat.Symp.on Microelectronics 2002 (Internat. Microelectronics and Packaging Society (IMAPS), 10.-13.03.2002, Reno, USA）」による上述の従来技術に記載されている。ここで開示された「熱パイプ」は、従来技術では例えば、コンパクト計算機（例えばラップトップ）内のプロセッサの冷却に使用される。
【０００７】
このようなＬＴＣＣに適した方法の他に、いわゆるDirect Copper Bondプロセスの高温焼結酸化アルミニウムセラミックが適しており、広く用いられている。これによって、焼結された酸化アルミニウムから成る回路担体が約１１００℃で直接的に、銅から成る冷却フィルムと接続される。これはJ. Schulz Harder等著「Micro channel water cooled power modules」およびJ. Schulz Harder等著「DBC substrate with integrated flat heat pipe (EMPC 2005, The 15th European Microelectronics and Packaging Conference ＆  Exhibition, 12.-15.06.2005 Bruegge, Belgien）に開示されている。
【０００８】
発明の開示
本願発明の課題は、高い熱導電性の基板が容易かつ低コストに、多層セラミック回路担体と安定的に接続され、熱導出が改善される、電子コンポーネントモジュールおよびこのような電子コンポーネントモジュールの製造方法を提供することである。
【０００９】
上述の課題は、請求項１の特徴部分の構成を有する電子コンポーネントモジュールおよび請求項１２の特徴部分の構成を有する方法によって解決される。
【００１０】
本発明の電子コンポーネントモジュールは、少なくとも１つのセラミック多層回路担体と、少なくとも１つのヒートシンクを備えた冷却装置とを含んでいる。セラミック回路担体と、冷却装置との間に、回路担体を冷却装置と接続するための接続領域が構成されている。この接続領域は少なくとも部分的に金属から構成された接続層と、共晶領域を含んでいる。殊に、この接続領域は次のように構成される。すなわち、少なくとも部分的に金属から構成された接続層が、殊にセラミック多層回路担体のセラミック材料との接続のために構成されるように構成される。このような構成によって、機械的に安定した多層接続領域が、回路担体と冷却装置との間で得られる。これは、さらに、低コストで製造可能である。
【００１１】
共晶領域は有利には接続層と金属製の冷却装置との間に配置される。殊に、金属製冷却装置の場合には、共晶領域は特別な接続を形成する。
【００１２】
有利には接続領域は、回路担体と冷却装置との間に全面で構成される。これによって、容易かつコストのかかる、接続領域の被着が可能になる。しかし、接続領域が領域的にのみ、回路担体と冷却装置との間に構成されてもよい。殊にこの場合には、特別な局部的な領域が設けられ、ここには、接続領域が構成される。これは有利には次のことによって実現される。すなわち、特に熱負荷される電子構成部材がこの接続領域に隣接して、回路担体内に配置されることによって実現される。これによって、改善された熱搬送がこの接続領域および冷却装置を介して可能になる。なぜならこれはこの構成部材に対して比較的近傍に配置されているからである。
【００１３】
有利には、金属製の接続層は金属ペーストとして、少なくとも領域的に回路担体上に被着される。特に有利には、この金属製の接続層は、金属ペーストとして、回路担体の個々の層を、冷却装置と組み合わせる前に回路担体上に取り付けられる。このような金属ペーストを、回路担体の個々の層を組み合わせるプロセスの間にセラミック回路担体との反応接合のために構成すると特に有利であることが判明している。このような構成によって、金属製接続層の構成、ひいては回路担体の個々の層を組み合わせるプロセスの間のこの金属ペーストとセラミック回路担体との間の安定した接続が可能になる。従って、接続形成をもはや、多層回路担体の元来の組み合わせプロセスの後から行う必要はなく、少なくとも一時的に、このプロセスと重なって、ひいては、このプロセス条件下でも可能である。これによって、安定性を高め、さらに、改善された熱導電性と同時に、格段に迅速な製造が実現される。
【００１４】
有利には回路担体は、セラミックＬＴＣＣ回路担体として構成され、接続層はＬＴＣＣ回路担体との反応接合のために、個々の層とセラミック回路担体を接続するためのＬＴＣＣプロセスの間に構成される。
【００１５】
特に有利には、共晶領域はセラミック多層回路担体の個々の層を接続するプロセスの間に冷却装置との反応接合のために形成される。回路担体がセラミックＬＴＣＣ回路担体として構成されており、共晶領域が、セラミック回路担体の個々の層を接続するＬＴＣＣプロセスの間に製造されるのは殊に有利である。結合材焼損によって生じる、セラミック材料の縮みは、この場合には、金属中間層との接続によって垂直方向の寸法で制限される。これによって、従来技術から公知の、ラテラル方向での収縮を制限する方法と比較して、回路担体の改善された寸法精度が得られる。金属とセラミックの異なる熱膨張係数は、ラテラル方向の伸張の制限および／または適切な垂直方向層列によって考慮される。
【００１６】
有利には、回路担体と、接続領域と、冷却装置の間の接続は、８４０℃〜９３０℃の間、殊に約９００℃の温度での焼結プロセスによって形成される。従って、この接続は有利には、約９００℃の比較的低い焼結温度のもとで、有利には次のことによって得られる。すなわち、多層のＬＴＣＣ回路担体が、冷却装置のヒートシンクに対するコンタクト面上で、ＬＴＣＣコンパチブルに印刷され、ひいてはプロセスにおいて反応性金属ペーストが全面で、または特別に選択されたパターンで印刷されることによって得られる。このような金属ペーストは、例えば銀、金、プラチナ、またはパラジウ等の金属粒子並びにガラス粒子および有機接着材から成る。ガラス成分はここで、回路担体の機能的なＬＴＣＣ層上の良好な接着性を保証する。さらに接続領域は、共晶領域によって構成される。これは殊に、有利には銅であるヒートシンク金属と金属製接続層の金属との間に設けられる。特に有利には、この金属製接続層は、少なくとも銀を含有しているＬＴＣＣシルクスクリーンペーストである。
【００１７】
ヒートシンクは、少なくとも１つの面で、ラテラルに、回路担体の大きさを超えて延在している。ラテラル方向の冷却能力の他にこれによって、別のコンポーネントモジュールおよび／またはハウジングとの、ヒートシンクのこの突出面での容易な取り付けが可能になる。
【００１８】
本発明の電子コンポーネントモジュールによって、従来技術では、元来の製造の後に加えられなければならない添加剤を用いない全面の材料接続が、例えば硬はんだ付けまたは接着過程によって、金属層と、コンポーネントモジュールのコンポーネントとの間の金属反応によってのみ実現される。これによって、非常に僅かな熱抵抗が可能になる。このようにして、可動物質、界面または相移行がない電子コンポーネントモジュールの純粋に受け身の加熱が実現される。
【００１９】
電子コンポーネントモジュールが多数のセラミック回路担体を有しており、これらの間に、多数の冷却装置、殊にヒートシンクが中間相として構成される場合に、接続領域のこのような構成が特に有利であることが判明している。このような集積構造では、その間に集積されたヒートシンクを有している、セラミック回路担体の積層体が構成される。殊にこのような複雑なシステムでは、このような接続領域を備えた、提案された電子コンポーネントモジュールによって、安定性および機能性に関する格段の改善が保証される。殊に、このような複雑なシステムの製造も格段に迅速かつ低コストで実現される。これは、全体的な最終的な接続領域の構成が実質的に、１つまたは複数の多層回路担体の元来の接続形成と同時に行われるからである。
【００２０】
さらに、セラミック回路担体、殊にＬＴＣＣ回路担体内に埋設された構成部分を効果的に加熱することも可能である。構成部分としてはここでは例えばフェライトおよび抵抗が挙げられる。殊に、さらなる利点の理由は、ヒートシンクが、集積フィルム、殊に銅フィルムとしても構成可能であり、ひいては高伝導性の導体として使用可能であるということである。
【００２１】
これによって寸法におけるコンパクト性および最小化が得られる。
【００２２】
電子コンポーネントモジュールを製造する本発明の方法では、少なくとも１つの多層セラミック回路担体が構成され、少なくとも１つのヒートシンクを備えた冷却装置と接続される。この回路担体と冷却装置は、接続領域によって接続される。この接続領域は、少なくとも部分的に金属から構成された接続層と共晶領域から構成される。接続領域のこの少なくとも二層のシステムによって、一方では回路担体への最適な取り付け、他方では冷却装置への最適な取り付けが可能になる。回路担体は、第１の材料から構成され、冷却装置は第２の材料から構成される。安定的な接続の他に、これは低コストで製造される。
【００２３】
有利には、金属製の接続層は、回路担体を冷却装置に取り付ける前に、回路担体に、少なくとも領域的に被着された金属ペーストとして構成される。共晶領域は有利には、金属製接続層と冷却装置の間に構成される。共晶領域が、回路担体と、接続層と、冷却装置との間の接続の間に形成されるのが特に有利であることが判明している。共晶領域は、有利には、回路担体と接続層と冷却装置が相互に接続されるプロセス温度よりも低い融解温度での材料接続によって構成される。回路担体、接続層および冷却装置は有利には、８４０℃〜９３０℃の間、殊に約９００℃での温度での焼結によって接続される。
【００２４】
回路担体がセラミックＬＴＣＣ回路担体として構成され、共晶領域が、冷却装置との反応接合のために、セラミック回路担体の個々の層を接続するＬＴＣＣプロセスの間に構成されるのが特に有利であることが判明している。これによって、同時に、セラミック回路担体の個々の層の接続形成時に、接続領域もその最終的な構成において製造される。これは、一方では金属製の接続層が、セラミック担体との反応接合形成のためにこのプロセスの間に構成され、他方では、共晶領域がこのプロセスの間に、金属製の接続層と金属製のヒートシンクとの間に形成されることによって行われる。金属ペースト、ひいては金属製接続層が部分的に銀から成り、この種の粒子を含んでおり、ヒートシンクが少なくとも部分的に銅から成るのは特に有利であることが判明している。これによって、共晶領域は、セラミック回路担体の個別層を接続するためのＬＴＣＣプロセスの間に生成され、例えば４０％の銀割合の場合、約７７９℃の融解温度で共融混合物が生成される。従ってこれは９００℃の有利なプロセス温度のもとで、このＬＴＣＣプロセスで容易に形成される。さらに、金の粒子を備えた金属ペーストも金属製の接続層として設けることが可能であり、これは４３．５％の金割合と約８８９℃の融解温度を有する共融混合物を形成する。
【００２５】
本発明の実施例を以降で、概略的な図に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の電子コンポーネントモジュールの実施例の断面図
【図２】電子コンポーネントモジュールの接続領域の共晶領域に対する銀−銅系に対するフェーズダイヤグラム
【００２７】
電子コンポーネントモジュール１は、図１では、第１の多層セラミックＬＴＣＣ回路担体２と、第２の多層セラミックＬＴＣＣ回路担体３を有している。これら２つの回路担体２および３は、ヒートシンク４の対向面に配置されている。このヒートシンクは冷却装置に属している。従って、実施例では、ヒートシンク４は電子コンポーネントモジュール１内で、２つの回路担体２および３の間に配置されている。ヒートシンク４はラテラル方向（ｘ方向）において、両面で、ＬＴＣＣ回路担体２および３の大きさを越えて延在している。さらに、穿孔４１および４２がヒートシンク４内に構成されている。これらの穿孔は、さらなるコンポーネントまたはハウジングとの固定、殊にねじ止めのために設けられている。
【００２８】
上方のＬＴＣＣ回路担体２と、実施例では銅から構成されているヒートシンク４との間に、第１の接続層５が構成されている。これは、この第１の回路担体２をヒートシンク４を機械的に安定して接続させる。相応に、ヒートシンク４と第２のＬＴＣＣ回路担体３との間に同じように、接続層６が構成されている。２つの接続層５および６は、セラミックＬＴＣＣ回路担体２および３との反応接合（reaktiven Verbindung)のために構成されている。すなわち、回路担体２および３の各個別層を接続するためのＬＴＣＣプロセスの間に、接続層５と第１の回路担体２の間の接続、並びに第２の接続層６と第２の回路担体３との間の接続も形成される。
【００２９】
実施例では、接続層５および６はそれぞれ全面で、ヒートシンク４と各回路担体２および３との間に構成されている。接続層５および６がそれぞれ部分的にのみ構成されてもよい。殊に接続層５および６は、電子構成部分の配置によって、各回路担体２および３内で大きい熱生成が行われる箇所に構成される。接続層５および６のこのような目的に適した局部的な構成によって、最適な熱搬送が行われる。このような熱搬送は図示の実施例ではラテラル方向に行われる。
【００３０】
図１ではさらに、第１の共晶領域７が金属製接続層５とヒートシンク４との間に構成れている。さらに、第２の共晶領域８が第２の金属製接続層６とヒートシンク４との間に構成されている。したがってこれら２つの共晶領域７および８はそれぞれ一方では金属製接続層５とヒートシンク４から成る部分領域を構成し、他方では金属製接続層６とヒートシンク４から成る部分領域を構成する。
【００３１】
実施例では、金属製接続層５と６には少なくとも部分的に、銀の粒子が入れられている。ヒートシンク４は少なくとも部分的に銅から成る。これによって、共晶領域７および８は、ＬＴＣＣプロセスの間、コンポーネントを接続するために構成される。
【００３２】
実施例では、概略的に示された電子コンポーネントモジュール１は、次のように製造される。すなわち、まずは回路担体２および３の個別層が、各電子構成部分と電子線路ともに形成される。その後、ＬＴＣＣコンパチブルな金属ペーストが、ヒートシンク４の方を向いている、回路担体２、３の面上に全面的に、または特別に選択されたパターンで被着され、殊に印刷される。その後、回路担体２および３の個別層が相互に接続され、殊に相互に積層され、焼結される後続のＬＴＣＣプロセスにおいて、各接続領域も形成される。ここで第１の接続領域は金属製接続層５と共晶領域７を含んでおり、第２の接続領域は金属製接続層６と共晶領域８とを含んでいる。回路担体２および３の焼結は約９００℃の温度で行われる。このプロセスの間に接続も形成される。この接続では、接続層５とセラミック回路担体２との間の反応接合形成と、回路担体３と金属製接続層６との間の反応接合形成が行われる。さらに、このようなＬＴＣＣプロセスの間に、金属性接続層５とヒートシンク４との間に反応接合も形成され、これによって共晶領域７が構成される。相応に、共晶領域８の構成が行われる。
【００３３】
実施例において選択された材料によって、共晶領域７および８として銀―銅系が構成される。図２には、このような銀−銅系に対するフェーズダイヤグラムが示されている。ここでは、４０％の模範的な銀割合によって、約７７９℃の溶解点を有する共融混合物が構成される。従ってこれは焼結時の９００℃のプロセス温度のもとで容易に構成される。
【図１】
2010516051.tif 000003
【図２】
2010516051.tif 000004
【国際調査報告】
2010516051.tif 000005
2010516051.tif 000006
2010516051.tif 000007
2010516051.tif 000008