(57)【要約】  基板上にはんだ層により取り付けられた少なくとも１つの電子部品と、該電子部品（４）の電気的接触のための少なくとも１つの面状の導体路とを有する電気回路を備えた回路構造が提案されている。電気回路の上には弾性要素が設けられており、更にその弾性要素に力を与えるための装置が存在することにより、その弾性要素が前記電気回路に向けて押圧される。これによって、電子部品の下にあるはんだでのクラック形成が防止される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にはんだ層により取り付けられた少なくとも１つの電子部品（４）と該電子部品（４）の電気的接触を形成するための少なくとも１つの面状の導体路（６）とを含む電気回路と、
前記電気回路上に設けられた弾性要素（７）と、
前記弾性要素（７）が前記電気回路に向かって押圧されるように前記弾性要素（７）に力を与えるための装置（８）とを備え、
前記面状の導体路（６）の少なくとも一部が、前記電子部品（４）の、前記基板とは反対側の面まで延びている回路構造。
【請求項２】
前記弾性要素（７）の少なくとも一部分がシリコーン又はシリコーン接着剤からなる請求項１記載の回路構造。
【請求項３】
前記弾性要素（７）が横方向に少なくとも前記電子部品（４）の大きさを有する請求項１又は２記載の回路構造。
【請求項４】
前記弾性要素（７）が横方向にほぼ前記電気回路の大きさを有する請求項１乃至３の１つに記載の回路構造。
【請求項５】
前記装置（８）が、金属、セラミックス又はプラスチックからなり前記弾性要素（７）の上方に設けられている押圧部材（８）を有する請求項１乃至４の１つに記載の回路構造。
【請求項６】
前記電気回路が前記面状の導体路（６）の下に絶縁層（５）を有する請求項１乃至５の１つに記載の回路構造。
【請求項７】
前記弾性要素（７）が前記絶縁層（５）よりも軟らかい請求項６記載の回路構造。
【請求項８】
前記弾性要素（７）が少なくとも１Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する請求項１乃至７の１つに記載の回路構造。
【請求項９】
前記電子部品（４）がパワー半導体素子（４）である請求項１乃至８の１つに記載の回路構造。
【請求項１０】
基板上にはんだ層により取り付けられた少なくとも１つの電子部品（４）と、該電子部品（４）上の弾性要素（７）とを含む電気回路の作動方法であって、前記弾性要素（７）が、少なくとも前記電子部品（４）全体を覆う大きさであり、前記弾性要素（７）が前記電気回路に向かって押圧され、その押圧による圧力が前記電子部品（４）に作用する電気回路の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に設けられた少なくとも１つの電子部品、特にパワーエレクトロニクス部品を有する電気回路を備えた回路構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体チップは、一般に、動作中に発生する熱を速やかに周囲に排出できるように、金属又は金属化セラミックスからなる基板の上にはんだ付けされている。作動中における頻繁な温度変化は、はんだ部において長い間に、縁からのクラックの生長、又は最も熱い部位におけるチップ下の中央に網状クラックの形成を招く。それによって、さらに熱伝導が悪化し、このことが温度の上昇を生じ、従って回路の寿命を短くする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、はんだ層内の熱に起因したクラックに対する高められた耐久性を付与された回路構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、請求項１による特徴を有する回路構造によって解決される。他の解決策は請求項１０による特徴を有する方法にある。従属請求項は回路構造の有利な実施態様に関する。
【０００５】
本発明による回路構造は電気回路を有する。この電気回路は基板を基礎としており、この基板は、例えば、金属被覆を有するセラミック基板、例えばＤＣＢ（Direct Copper Bonding；直接銅ボンディング）基板であるとよい。全体が金属である基板又はそのほかに知られている基板も使用することができる。
【０００６】
基板上には１つ又は複数の電子部品が設けられている。この電子部品は、１つ又は複数の半導体部品、特に、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）のようなパワー半導体素子である。部品はその下側ではんだ層を介して基板に結合される。電気的接触は少なくとも部分的に上側で１つ又は複数の面状の導体路によって行われる。この面状の導体路は好ましくは膜、例えば銅をベースにした膜であり、その膜は基板上および１つ又は複数の部品上に例えば直流電気的に作成される。
【０００７】
更に、本発明においては、電気回路上に弾性要素が設けられている。この弾性要素は、例えば、シリコーン又はシリコーン接着剤からなる層又は部材であるとよい。弾性要素は、例えばシリコーン接着剤の場合には、電気回路に対する固定した結合を持つが、例えばシリコーン部材又は絶縁箔が上に置かれる場合には、まさに固定した結合を待たないことが有り得る。弾性要素は電気的に絶縁性であると好ましい。
【０００８】
最終的には弾性要素に力を与えるための装置が存在する。この力によって、弾性要素が電気回路に向かって押圧される。
【０００９】
基板上に取り付けられた少なくとも１つの電子部品と、その電子部品の上にある弾性要素とを含む電気回路の本発明による作動方法においては、弾性要素が少なくとも電子部品全体を覆う大きさであり、弾性要素が電気回路に向かって押圧され、その押圧によって生じた圧力が電子部品全体に作用する。
【００１０】
電気回路、特に１つ又は複数の電子部品に作用する（好ましくはわずかな）圧力は、有利なことに、この圧力が与えられる１つ又は複数の電子部品の下方におけるはんだ層に既述のクラックを発生させないかもしくは再び閉じさせる。その際に、１つ又は複数の電子部品の下方のはんだは、通常、電気回路の動作中にも脆くならず、いくらか流動性又はクリープ性のままであるということが利用される。形成されたクラックは、有利なことに、圧力により生じたはんだの動きによって再び閉ざされる。弾性要素は、有利なことに、力を１つ又は複数の電子部品に一様に分配する。
【００１１】
圧力が低パスカル、即ち、例えば１〜１０×１０5Ｐａの範囲内あるならば有利である。それによって一方では圧力がクラック形成を防止するに十分であることが達成される。しかし、他方では電子部品の下ではんだが外へ押し出されることもない。
【００１２】
弾性要素は、横方向において少なくとも、１つの電子部品又は複数の電子部品のうちの１つの電子部品の大きさを有すると好ましい。それによって少なくとも１つの電子部品に対して面状の圧力が電子部品全体に与えられる。なお、横方向の大きさとは、電子部品の長さおよび幅、即ち、その基板によって定められた平面の広がりを意味する。本発明の有利な実施態様によれば、弾性要素が横方向において電気回路全体と実質的にちょうど同じ大きさである。換言するならば、圧力が全ての電子部品に与えられるように、弾性要素が少なくとも十分に電子回路全体を覆っている。これによって、圧力が一様に分配され、存在する全ての電子部品でのクラック形成が阻止される。
【００１３】
電気回路は、例えば構造化された絶縁箔の形で少なくとも１つの絶縁層を有すると好ましい。絶縁層は、例えば面状の導体路の下にあり、望まれない電気的接触を阻止する。この場合に、複数の絶縁層と複数の層からなる面状の導体路とからなる積層構造も可能である。絶縁層自体は、所望の厚みを達成するために、同様に複数の個別層、例えば複数の絶縁箔からなる積層構造であってもよい。絶縁層は、例えば電子部品の上の上側接触面から面状の導体路に至るスルーホールコンタクトを生じさせるように、構造化されていると好ましい。
【００１４】
弾性要素は絶縁層の材料よりも軟らかいと好ましい。これにより、上から押圧される弾性要素による絶縁層の機械的過負荷が回避される。更に、弾性要素への均一な力を生じさせるために、装置は、例えば金属、セラミックス又はプラスチックからなる十分に非弾性の押圧部材を有し、この押圧部材自体が弾性要素に力を与えるように配置されていると好ましい。
【００１５】
弾性要素が良好な熱伝導性であるならば格別に有利である。例えば、弾性要素が少なくとも１Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有するとよい。その場合に電子部品内で発生する熱は、下に向かって基板内に排出されるだけでなく、上に向かって弾性要素内に排出され、それゆえに排出される全熱出力が高められ、従って放熱が改善される。これは、特に高い熱発生を有するパワー電子部品の場合に有利である。この場合に、例えば押圧部材への熱搬出のために僅かな熱抵抗を具現すべく、弾性要素が僅かな厚みを有するならば有利である。更に、この場合に押圧部材自体が同様に良好な熱伝導性であり、従って例えば金属からなるならば有利である。
【００１６】
弾性要素が蓄熱体として働くならば、非常に有利である。このためには、例えば十分な質量、従って十分な厚みが必要である。例えば、弾性要素の厚みは少なくとも３ｍｍであるべきである。この実施態様において弾性要素は中間蓄熱体として用いられ、それによって１つ又は複数の電子部品の熱放出の短期間ピークを緩和する。これによって電子部品の寿命が高められる。
【００１７】
以下において、好ましい、しかしどんな場合でも決して本発明を限定するものではない実施例を図面に基づいて更に詳細に説明する。この場合に特徴が概略的に示され、対応する特徴には同じ参照符号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１はパワー電子部品を有する電気回路を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、パワー半導体素子４を有する電気回路を模範的に示している。パワー半導体素子４は、はんだ層３によりＤＣＢ銅路２上に形成されている。ＤＣＢ銅路２自体はＤＣＢ基板の一部であり、このＤＣＢ基板はこの例ではセラミック支持体１の上に形成されているＤＣＢ銅路２を含む。
【００２０】
この実施例では、パワー半導体素子４の上側における電気的接触が面状の銅導体路６によって行なわれる。そのために基板およびパワー半導体素子４の上に先ず絶縁層５が設けられている。絶縁層５はこの実施例では積層された絶縁箔からなる。しかし絶縁層５は、他の方法で、例えば公知の化学的又は物理的な堆積法によって作成してもよい。
【００２１】
パワー半導体素子４への電気的接触を可能にするために、絶縁層５は１つ又は複数の窓を有する。これらの窓は、電気回路上で絶縁層５を、例えばレーザアブレーション法によって構造化することによって作成することができる。しかし、例えば、既に予め構造化された箔を回路上に積層することもできる。
【００２２】
絶縁層５の上に面状の銅導体路６が形成されている。面状の銅導体路６は、同様に種々の様式で、例えば公知の堆積法によって作成することができる。しかし、パワーエレクトロニクスの分野では、ガルバニ析出法による作成が適切である。それにより、大電流のために必要な厚みを最良に準備することができる。面状の銅導体路６はこの実施例ではそれ自体も同様に構造化されている。何故ならば、多数の電気接続部が独立に接触させられなければならないからである。
【００２３】
面状の銅導体路６上にはシリコーン接着剤層７が存在する。シリコーン接着剤層７の長さおよび幅はほぼパワー半導体素子４に対応する。シリコーン接着剤層７は、電気的に絶縁性であるが、しかしこの実施例では１０Ｗ／ｍＫの熱伝導度を備えていなければならず、従って絶縁体にしては比較的良好な熱伝導性を有する。シリコーン接着剤層７の厚みはこの実施例では約０．５ｍｍである。シリコーン接着剤層７の上方には金属からなる押圧部材８が設けられている。この押圧部材８を介してその下にあるシリコーン接着剤層７に圧力が与えられる。この圧力は電気回路のためのハウジングの適切な形態によって押圧部材８に与えられる。シリコーン接着剤層７は、この圧力を、その下にある構造物に分配し、即ち、面状の銅導体路６および絶縁層５を介してパワー半導体素子４に分配し、更には、またもやはんだ層３に分配する。
【００２４】
従って、最後には、はんだ層３が圧力下に置かれる。この圧力は「わずかな」圧力である。これは、一方では、はんだ層３において発生するクラックが再び閉ざされる程度であることが適切である。他方では、その圧力は、その作用によりパワー半導体素子４の下にあるはんだが押し出されるほど強すぎてはならない。その圧力作用は、はんだが電気回路の完成状態においても或る程度はたとえ小さくても流動性を持ち続けることに基づいている。温度変化が時間の経過するうちに小さなクラックの形成を招いた際に、わずかな圧力の影響によりはんだが変形して再びクラックの中に入り込み、再びクラックを閉ざす。そのほかに一般に発生するクラックの不都合な影響が回避され、モジュール全体の寿命が高められる。
【００２５】
この実施例では、シリコーン接着剤層７の比較的小さい厚みと、シリコーン接着剤層７の高い熱伝導度とによって、シリコーン接着剤層７を介してパワー半導体素子４からの大きな排熱を排出することができる。従って、シリコーン接着剤層７および押圧部材８が、有利に、パワー半導体素子４のための付加的なヒートシンクとして用いられる。
【００２６】
シリコーン接着剤層７が熱緩衝体として構成されている場合に、第２の実施例がもたらされる。このためにシリコーン接着剤層７は第１の実施例におけるよりも遥かに厚く形成され、例えば３ｍｍ又は５ｍｍの暑さに形成されるのが適切である。シリコーン接着剤層７に対する代替として、図に示されていないシリコーン又はその他の耐熱性の弾性材料からなる弾性要素が使用されてもよい。しかし、この弾性要素は面状の銅導体路６の表面に必ずしも接着されていなくてもよい。その際にシリコーン接着剤層７つまり弾性要素は中間蓄熱体として用いられる。パワー半導体素子４において短時間のピーク出力時に生じる過剰な排熱が弾性要素つまりシリコーン接着剤層７に蓄積され、その後ゆっくりと排出される。従って、この実施例では、弾性要素又はシリコーン接着剤層７が、排熱発生におけるピークを緩和するために有利に用いられ、このことが同様に寿命を高める。
【符号の説明】
【００２７】
１          支持体
２          ＤＣＢ銅路
３          はんだ層
４          パワー半導体素子
５          絶縁層
６          銅導体路
７          シリコーン接着剤層
８          押圧部材
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年2月13日(2012.2.13)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、基板上に設けられた少なくとも１つの電子部品、特にパワーエレクトロニクス部品を有する電気回路を備えた回路構造および電気回路の作動方法に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
この課題は、本発明によれば、基板上にはんだ層により取り付けられた少なくとも１つの電子部品と該電子部品の電気的接触を形成するための少なくとも１つの面状の導体路とを含む電気回路と、この電気回路上に設けられた弾性要素と、この弾性要素が前記電気回路に向かって押圧されるように前記弾性要素に力を与えるための装置とを備え、前記面状の導体路の少なくとも一部が、前記電子部品の、前記基板とは反対側の面まで延びていることによって解決される（請求項１）。
本発明の有利な実施態様は次の通りである。
・前記弾性要素の少なくとも一部分がシリコーン又はシリコーン接着剤からなる（請求項２）。
・前記弾性要素が横方向に少なくとも前記電子部品の大きさを有する（請求項３）。
・前記弾性要素が横方向にほぼ前記電気回路の大きさを有する（請求項４）。
・前記装置が、金属、セラミックス又はプラスチックからなり前記弾性要素の上方に設けられている押圧部材を有する（請求項５）。
・前記電気回路が前記面状の導体路の下に絶縁層を有する（請求項６）。
・前記弾性要素が前記絶縁層よりも軟らかい（請求項７）。
・前記弾性要素が少なくとも１Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する（請求項８）。
・前記電子部品がパワー半導体素子である（請求項９）。
本発明によれば、基板上にはんだ層により取り付けられた少なくとも１つの電子部品と、この電子部品上の弾性要素とを含む電気回路の作動方法であって、前記弾性要素が、少なくとも前記電子部品全体を覆う大きさであり、前記弾性要素が前記電気回路に向かって押圧され、その押圧による圧力が前記電子部品に作用する電気回路の作動方法も提案される（請求項１０）。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にはんだ層により取り付けられた少なくとも１つの電子部品（４）と該電子部品（４）の電気的接触を形成するための少なくとも１つの面状の導体路（６）とを含む電気回路と、
前記電気回路上に設けられた弾性要素（７）と、
前記弾性要素（７）が前記電気回路に向かって押圧されるように前記弾性要素（７）に力を与えるための装置（８）とを備え、
前記面状の導体路（６）の少なくとも一部が、前記電子部品（４）の、前記基板とは反対側の面まで延びている回路構造。
【請求項２】
前記弾性要素（７）の少なくとも一部分がシリコーン又はシリコーン接着剤からなる請求項１記載の回路構造。
【請求項３】
前記弾性要素（７）が横方向に少なくとも前記電子部品（４）の大きさを有する請求項１又は２記載の回路構造。
【請求項４】
前記弾性要素（７）が横方向に前記電気回路の大きさを有する請求項１乃至３の１つに記載の回路構造。
【請求項５】
前記装置（８）が、金属、セラミックス又はプラスチックからなり前記弾性要素（７）の上方に設けられている押圧部材（８）を有する請求項１乃至４の１つに記載の回路構造。
【請求項６】
前記電気回路が前記面状の導体路（６）の下に絶縁層（５）を有する請求項１乃至５の１つに記載の回路構造。
【請求項７】
前記弾性要素（７）が前記絶縁層（５）よりも軟らかい請求項６記載の回路構造。
【請求項８】
前記弾性要素（７）が少なくとも１Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する請求項１乃至７の１つに記載の回路構造。
【請求項９】
前記電子部品（４）がパワー半導体素子（４）である請求項１乃至８の１つに記載の回路構造。
【請求項１０】
基板上にはんだ層により取り付けられた少なくとも１つの電子部品（４）と、該電子部品（４）上の弾性要素（７）とを含む電気回路の作動方法であって、前記弾性要素（７）が、少なくとも前記電子部品（４）全体を覆う大きさであり、前記弾性要素（７）が前記電気回路に向かって押圧され、その押圧による圧力が前記電子部品（４）に作用する電気回路の作動方法。
【国際調査報告】
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