專利名稱：鋁-陶瓷組合構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁-陶瓷組合構(gòu)件，特別是涉及具有散熱功能、可應(yīng)用于電子零件或電源模塊的鋁-陶瓷組合構(gòu)件。
背景技術(shù)：
迄今，已提出一種半導(dǎo)體器件，它包括絕緣陶瓷底板，在底板一表面上設(shè)有一金屬電路層，在底板另一表面上固定的放熱金屬片，以及在金屬電路層上焊接的用于控制電壓和電流的半導(dǎo)體接點(diǎn)(tips)。將上面提到的一種或更多種半導(dǎo)體器件用焊接材料焊接在金屬基片(散熱片)的一個(gè)表面或者復(fù)合構(gòu)件上，放熱片或者散熱片通過傳熱油脂安裝在金屬基片的另一個(gè)表面上。
然而，上述提到的傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件存在以下問題。
①焊接主要使用鉛焊料，因此有必要研制出新的焊接材料或者焊接方法以實(shí)現(xiàn)一種無鉛的焊接方法。
②焊接主要使用鉛焊料，因此存在由于焊接材料中含有鉛而導(dǎo)致的熱傳輸?shù)膿p失。
③焊接主要使用鉛焊料，因此存在由于鉛焊料的孔隙而減少產(chǎn)率的風(fēng)險(xiǎn)。
④傳熱油脂的熱傳導(dǎo)率非常低。也就是說，市售的傳熱油脂的熱傳導(dǎo)率至多只有幾個(gè)W/m·K。
上面的問題①-③能通過使用絕緣陶瓷襯底與基板直接接合而得到解決。然而，問題④未能解決，因?yàn)槭袌錾仙胁荒芴峁┚哂懈邆鲗?dǎo)率的材料。
日本特許公開No.363052/92公開了一種半導(dǎo)體器件，其中采用釬焊將放熱片直接接合在陶瓷底板上?？墒牵绻麑崤蛎浵禂?shù)大、體積大的鋁散熱片直接接合在熱膨脹系數(shù)小的薄陶瓷底板上，當(dāng)它們被交替地、經(jīng)常地加熱和冷卻以及諸如進(jìn)行實(shí)際的電源模塊操作時(shí)引起的溫度升高時(shí)，由于散熱片和陶瓷底板之間具有不同的熱膨脹系數(shù)，則陶瓷底板會(huì)與鋁散熱片分離，或者陶瓷底板會(huì)由于應(yīng)力而遭到損壞。
本發(fā)明的任務(wù)是解決上述問題和缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種鋁-陶瓷組合構(gòu)件，其特征是包括一個(gè)陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一個(gè)表面上、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件，以及直接接合在陶瓷底板另一表面上的鋁或鋁合金散熱元件。
本發(fā)明的直接接合中，鋁或鋁合金散熱元件直接接合在陶瓷底板上而不需要任何中介材料，例如釬焊料。
優(yōu)選地，散熱元件的尺寸比陶瓷底板大。
優(yōu)選地，散熱元件具有包圍陶瓷底板的壁(wall)。
優(yōu)選地，散熱元件具有接線基部。
本發(fā)明更進(jìn)一步的目的是提供一種鋁-陶瓷組合構(gòu)件，其特征是包括一個(gè)陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一個(gè)表面上、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件，以及直接接合在陶瓷底板的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金水冷卻護(hù)套。
優(yōu)選地，水冷卻護(hù)套包括銅。
優(yōu)選地，直接接合通過熔融焊接法實(shí)現(xiàn)。
優(yōu)選地，陶瓷底板主要成分為氧化鋁，氮化鋁和氮化硅中的一種。
優(yōu)選地，使用多個(gè)陶瓷底板。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種電源模塊，其特征在于包括一種鋁-陶瓷組合構(gòu)件，該構(gòu)件由以下組成一個(gè)陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一個(gè)表面上、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件，以及直接接合在陶瓷底板的另一表面上的鋁或鋁合金散熱元件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種電源模塊，其特征在于包括一種鋁-陶瓷組合構(gòu)件，該構(gòu)件由以下組成一個(gè)陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一個(gè)表面上、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件，以及直接接合在陶瓷底板的另一表面上的鋁或鋁合金水冷卻護(hù)套。
本發(fā)明的這些以及其他方面和目的，可以參考以下說明書和附圖而得到更好的評(píng)價(jià)和理解。但應(yīng)當(dāng)理解的是，以下的說明書以及所列出的實(shí)施例僅供說明，本發(fā)明絕非限于實(shí)施例所述的范圍。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，不脫離本發(fā)明的構(gòu)思，可得到許多變換和改進(jìn)，本發(fā)明包括所有這樣的改進(jìn)。
附圖簡述圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的鋁-陶瓷組合構(gòu)件的透視圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的鋁-陶瓷組合構(gòu)件的透視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的鋁-陶瓷組合構(gòu)件的透視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的鋁-陶瓷組合構(gòu)件的透視圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述現(xiàn)在結(jié)合


本發(fā)明。
(實(shí)施例1)圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施的鋁-陶瓷組合構(gòu)件的透視圖。
正如圖1所示，準(zhǔn)備兩塊陶瓷底板1，每一塊由厚度為0.25mm、尺寸為40mm×40mm的氧化鋁襯底組成。
兩塊陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后將該碳模具插入爐子中。爐中保持不高于100ppm的氮?dú)夂脱鯕狻Ｔ跔t中于750℃下加熱純度為4N的鋁，以得到熔態(tài)鋁。除去熔態(tài)鋁表面的氧化膜，通過一個(gè)碳圓柱在爐中施加壓力將熔態(tài)鋁注入模具中。模具如此設(shè)計(jì)，以致于當(dāng)熔態(tài)鋁注入模具時(shí)，在每一塊陶瓷底板1的一個(gè)表面上(電路層一側(cè)的表面)能形成厚度為0.4mm、尺寸為39mm×39mm的鋁片2，在兩塊陶瓷底板1的另一個(gè)表面上形成厚度為5mm、尺寸為110mm×60mm的鋁基板3，在鋁基板3上形成多個(gè)平行的鋁散熱片4，散熱片4在縱向方向上彼此間隔5mm，從基板3上沿著與在基板3上接合的陶瓷底板1相反的方向伸展，每一個(gè)散熱片4高為25mm、厚度為5mm。冷卻模具以使熔態(tài)鋁固化并與陶瓷底板1相接合。模具在室溫下冷卻，將這樣得到的組合構(gòu)件從模具中移出。通過在其上印刷具有預(yù)定形狀的防蝕涂層并使用氯化鐵溶液蝕刻，而在鋁片2的一個(gè)表面上形成電路圖案。在除去防蝕涂層后，采用非電解的鎳電鍍法在鋁片2上形成厚度為3μm的鎳層，使得可制得包括與具有基板3和散熱片4的陶瓷底板1直接接合的鋁片2的組合構(gòu)件。
用超聲波探傷器檢測本發(fā)明的組合構(gòu)件。在鋁片2和陶瓷底板1邊界面以及基板3和陶瓷底板1的邊界面上，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。此外，陶瓷底板1上未發(fā)現(xiàn)裂紋。進(jìn)行熱循環(huán)測試以評(píng)估已檢測的組合構(gòu)件。一種熱循環(huán)是在-40℃下保溫30分鐘，25℃下保溫10分鐘，125℃下保溫30分鐘，25℃下再保溫10分鐘。在經(jīng)歷3000次熱循環(huán)后，再次用超聲波探傷器檢測邊界面，確認(rèn)在陶瓷底板1上沒有變化、沒有裂紋。
(實(shí)施例2)
在與實(shí)施例1的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.635mm的氮化鋁襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例1相同的效果。
(實(shí)施例3)在與實(shí)施例1的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.32mm的氮化硅襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例1相同的效果。
(實(shí)施例4)準(zhǔn)備兩塊陶瓷底板1，每一塊都由厚度為0.25mm、尺寸為40mm×40mm的氧化鋁襯底組成。
兩塊陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后將該碳模具插入爐子中。爐中保持不高于100ppm的氮?dú)夂脱鯕?。在爐中于750℃下加熱純度為4N的鋁，以得到熔態(tài)鋁。除去熔態(tài)鋁表面的氧化膜，通過一個(gè)碳圓柱在爐中施加壓力將熔態(tài)鋁注入模具中。模具如此設(shè)計(jì)，以致于當(dāng)熔態(tài)鋁注入模具時(shí)，在每一塊陶瓷底板1的一個(gè)表面上(電路層一側(cè)的表面)能形成厚度為0.4mm、尺寸為39mm×39mm以及純度為4N的鋁片2，在兩塊陶瓷底板1的另一表面上形成厚度為5mm、尺寸為110mm×60mm、純度為99.7％(JIS No.1070)的鋁基板3，在鋁基板3上形成多個(gè)平行的鋁散熱片4，散熱片4在縱向方向上彼此間隔5mm，從基板3上沿著與在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一個(gè)散熱片4高為25mm、厚度為5mm。冷卻模具以使熔態(tài)鋁固化并與陶瓷底板1相接合。模具在室溫下冷卻，將這樣得到的組合構(gòu)件從模具中移出。通過在其上印刷具有預(yù)定形狀的防蝕涂層并使用氯化鐵溶液蝕刻，而在鋁片2的一個(gè)表面上形成電路圖案。在除去防蝕涂層后，采用非電解的鎳電鍍法在鋁片2上形成厚度為3μm的鎳層，使得可制得包括與具有基板3和散熱片4的陶瓷底板1直接接合的鋁片2的組合構(gòu)件。
用超聲波探傷器檢測本發(fā)明的組合構(gòu)件。在鋁片2和陶瓷底板1邊界面以及基板3和陶瓷底板1的邊界面上，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。此外，陶瓷底板1上未發(fā)現(xiàn)有裂紋。進(jìn)行熱循環(huán)測試以評(píng)估已檢測的組合構(gòu)件。一種熱循環(huán)是在-40℃下保溫30分鐘，25℃下保溫10分鐘，125℃下保溫30分鐘，25℃下再保溫10分鐘。在經(jīng)歷3000次熱循環(huán)后，再次用超聲波探傷器檢測邊界面，確認(rèn)在陶瓷底板上1上沒有變化、沒有裂紋。
(實(shí)施例5)
在與實(shí)施例4的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.635mm的氮化鋁襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例4相同的效果。
(實(shí)施例6)在與實(shí)施例4的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.32mm的氮化硅襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例4相同的效果。
(實(shí)施例7)準(zhǔn)備兩塊陶瓷底板1，每一塊都由厚度為0.25mm、尺寸為40mm×40mm的氧化鋁襯底組成。兩塊陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后將該碳模具插入爐子中。爐中保持不高于100ppm的氮?dú)夂脱鯕?。在爐中于750℃下加熱純度為99.7％(JIS No.1070)的鋁，以得到熔態(tài)鋁。除去熔態(tài)鋁表面的氧化膜，通過一個(gè)碳圓柱在爐中施加壓力將熔態(tài)鋁注入模具中。模具如此設(shè)計(jì)，以致于當(dāng)熔態(tài)鋁注入模具時(shí)，在每一塊陶瓷底板1的一個(gè)表面上(電路層一側(cè)的表面)能形成厚度為0.4mm、尺寸為39mm×39mm的鋁片2，在兩塊陶瓷底板1的另一表面上形成厚度為5mm、尺寸為110mm×60mm(JIS No.1070)的鋁基板3，在鋁基板3上形成多個(gè)平行的鋁散熱片4，散熱片4在縱向方向上彼此間隔5mm，從基板3上沿著與在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一個(gè)散熱片4高為25mm、厚度為5mm。冷卻模具以使熔態(tài)鋁固化并與陶瓷底板1相接合。模具在室溫下冷卻，將這樣得到的組合構(gòu)件從模具中移出。通過在其上印刷具有預(yù)定形狀的防蝕涂層并使用氯化鐵溶液蝕刻，而在鋁片2的一個(gè)表面上形成電路圖案。在除去防蝕涂層后，采用非電解的鎳電鍍法在鋁上形成厚度為3μm的鎳層，使得可制得包括與具有基板3和散熱片4的陶瓷底板1直接接合的鋁片2的組合構(gòu)件。
用超聲波探傷器檢測本發(fā)明的組合構(gòu)件。在鋁片2和陶瓷底板1邊界面以及基板3和陶瓷底板1的邊界面上，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。此外，陶瓷底板1上未發(fā)現(xiàn)有裂紋。進(jìn)行熱循環(huán)測試以評(píng)估已檢測的組合構(gòu)件。一種熱循環(huán)是在-40℃下保溫30分鐘，25℃下保溫10分鐘，125℃下保溫30分鐘，25℃下再保溫10分鐘。
在經(jīng)歷3000次熱循環(huán)后，再次用超聲波探傷器檢測邊界面，確認(rèn)在陶瓷底板上1上沒有變化、沒有裂紋。
(實(shí)施例8)在與實(shí)施例7的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.635mm的氮化鋁襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例7相同的效果。
(實(shí)施例9)在與實(shí)施例7的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.32mm的氮化硅襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例7相同的效果。
(實(shí)施例10)準(zhǔn)備兩塊陶瓷底板1，每一塊都由厚度為0.25mm、尺寸為40mm×40mm的氧化鋁襯底組成。兩塊陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后將該碳模具插入爐子中。爐中保持不高于100ppm的氮?dú)夂脱鯕?。在爐中于750℃下加熱按重量計(jì)分別為99.5％的鋁和0.5％的銅，以得到它們的熔態(tài)。除去熔態(tài)鋁合金表面的氧化膜，通過一個(gè)碳圓柱在爐中施加壓力將熔態(tài)鋁合金注入模具中?？紤]到鋁的腐蝕而加入銅。模具如此設(shè)計(jì)，以致于當(dāng)熔態(tài)鋁合金注入模具時(shí)，在每一塊陶瓷底板1的一個(gè)表面上(電路層一側(cè)的表面)能形成厚度為0.4mm、尺寸為39mm×39mm的鋁片2，在兩塊陶瓷底板1的另一表面上形成厚度為5mm、尺寸為110mm×60mm的鋁基板3，在鋁基板3上形成多個(gè)平行的鋁散熱片4，散熱片4在縱向方向上彼此間隔5mm，從基板3上沿著與在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一個(gè)散熱片4高為25mm、厚度為5mm。冷卻模具以使熔態(tài)鋁合金固化并與陶瓷底板1相接合。模具在室溫下冷卻，將這樣得到的組合構(gòu)件從模具中移出。通過在其上印刷具有預(yù)定形狀的防蝕涂層并使用氯化鐵溶液蝕刻，而在鋁片2的一個(gè)表面上形成電路圖案。在除去防蝕涂層后，采用非電解的鎳電鍍法在鋁上形成厚度為3μm的鎳層，使得可制得包括與具有冷卻基板3和散熱片4的陶瓷底板1直接接合的鋁片2的組合構(gòu)件。
用超聲波探傷器檢測本發(fā)明的組合構(gòu)件。在鋁片2和陶瓷底板1的邊界面以及基板3和陶瓷底板1的邊界面上，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。此外，陶瓷底板1上未發(fā)現(xiàn)有裂紋。進(jìn)行熱循環(huán)測試以評(píng)估已檢測的組合構(gòu)件。一種熱循環(huán)是在-40℃下保溫30分鐘，25℃下保溫10分鐘，125℃下保溫30分鐘，25℃下再保溫10分鐘。在經(jīng)歷3000次熱循環(huán)后，再次用超聲波探傷器檢測邊界面，確認(rèn)在陶瓷底板上1上沒有變化、沒有裂紋。
(實(shí)施例11)在與實(shí)施例10的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.635mm的氮化鋁襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例10相同的效果。
(實(shí)施例12)在與實(shí)施例10的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.32mm的氮化硅襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例10相同的效果。
(實(shí)施例13)如圖2所示，準(zhǔn)備兩塊陶瓷底板1，每一塊都由厚度為0.25mm、尺寸為40mm×40mm的氧化鋁襯底組成。兩塊陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)，然后將該碳模具插入爐子中。爐中保持不高于100ppm的氮?dú)夂脱鯕狻Ｔ跔t中于750℃下加熱按重量計(jì)分別為99.5％的鋁和0.5％的銅，以得到它們的熔融態(tài)。除去熔態(tài)鋁合金表面的氧化膜，通過一個(gè)碳圓柱在爐中施加壓力將熔態(tài)鋁合金注入模具中。考慮到鋁的腐蝕而加入銅。模具如此設(shè)計(jì)，以致于當(dāng)熔態(tài)鋁注入模具時(shí)，在每一塊陶瓷底板1的一個(gè)表面上(電路層一側(cè)的表面)能形成厚度為0.4mm、尺寸為39mm×39mm的鋁片2，在陶瓷底板1的另一表面上形成厚度為50mm、尺寸為110mm×60mm的基板3，并在基板3中形成蛇形的水冷卻護(hù)套5。冷卻模具以使熔態(tài)鋁合金固化并與陶瓷底板1相接合。模具在室溫下冷卻，將這樣得到的組合構(gòu)件從模具中移出。通過在其上印刷具有預(yù)定形狀的防蝕涂層并使用氯化鐵溶液蝕刻，而在鋁片2的一個(gè)表面上形成電路圖案。在除去防蝕涂層后，采用非電解的鎳電鍍法在鋁上形成厚度為3μm的鎳層，使得可制得包括與具有基板3的陶瓷底板1直接接合的鋁片2的組合構(gòu)件。
基板3的底面通過橡皮密封環(huán)11被鋁片6封住。鋁片6和橡皮密封環(huán)11由粘合劑固定。但也可以考慮用螺釘或者點(diǎn)焊固定。橡膠管7通過在基板3側(cè)表面上成形的開口與水冷卻護(hù)套5相連接。
用超聲波探傷器檢測本發(fā)明的組合構(gòu)件。在鋁片2和陶瓷底板1的邊界面以及基板3和陶瓷底板1的邊界面上，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。此外，陶瓷底板1上未發(fā)現(xiàn)有裂紋。進(jìn)行熱循環(huán)測試以評(píng)估已檢測的組合構(gòu)件。一種熱循環(huán)是在-40℃下保溫30分鐘，25℃下保溫10分鐘，125℃下保溫30分鐘，25℃下再保溫10分鐘。在經(jīng)歷3000次熱循環(huán)后，再次用超聲波探傷器檢測邊界面，確認(rèn)在陶瓷底板上1上沒有變化、沒有裂紋。
(實(shí)施例14)在與實(shí)施例13的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.635mm的氮化鋁襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例13相同的效果。
(實(shí)施例15)在與實(shí)施例13的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.32mm的氮化硅襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例13相同的效果。
(實(shí)施例16)如圖3所示，準(zhǔn)備兩塊陶瓷底板1，每一塊都由厚度為0.25mm、尺寸為40mm×40mm的氧化鋁襯底組成。兩塊陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具(carbonmold)上(未示出)，然后將該碳模具(carbon mold)插入爐子中。爐中保持不高于100ppm的氮?dú)夂脱鯕?。在爐中于750℃下加熱按重量計(jì)分別為99.5％的鋁和0.5％的銅，以得到它們的熔融態(tài)。除去熔態(tài)鋁合金表面的氧化膜，通過一個(gè)碳圓柱在爐中施加壓力將熔態(tài)鋁合金注入模具中。模具如此設(shè)計(jì)，以致于當(dāng)熔態(tài)鋁合金注入模具時(shí)，在每一塊陶瓷底板1的一個(gè)表面上(電路層一側(cè)的表面)能形成厚度為0.4mm、尺寸為39mm×39mm的鋁片2，在兩塊陶瓷底板1的另一表面上形成厚度為5mm、尺寸為110mm×60mm的基板3，在基板3的一表面的邊緣上形成一厚度為5mm、高度為25mm的豎直延伸壁9，在該表面上固定陶瓷底板1，在基板3的另一表面上形成多個(gè)平行的鋁散熱片4，散熱片4在縱向方向上彼此間隔5mm，從基板3上沿著與在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一個(gè)散熱片4高為25mm、厚度為5mm。冷卻模具以使熔態(tài)鋁合金固化并與陶瓷底板1相接合。模具在室溫下冷卻，將這樣得到的組合構(gòu)件從模具中移出。通過在其上印刷具有預(yù)定形狀的防蝕涂層并使用氯化鐵溶液蝕刻，而在鋁片2的一個(gè)表面上形成電路圖案。在除去防蝕涂層后，采用非電解的鎳電鍍法在鋁上形成厚度為3μm的鎳層，使得可制得包括與具有基板3和散熱片4的陶瓷底板1直接接合的鋁片2的組合構(gòu)件。
用超聲波探傷器檢測本發(fā)明的組合構(gòu)件。在鋁片2和陶瓷底板1的邊界面以及基板3和陶瓷底板1的邊界面上，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。此外，陶瓷底板1上未發(fā)現(xiàn)有裂紋。進(jìn)行熱循環(huán)測試以評(píng)估已檢測的組合構(gòu)件。一種熱循環(huán)是在-40℃下保溫30分鐘，25℃下保溫10分鐘，125℃下保溫30分鐘，25℃下再保溫10分鐘。在經(jīng)歷3000次熱循環(huán)后，再次用超聲波探傷器檢測邊界面，確認(rèn)在陶瓷底板上1上沒有變化、沒有裂紋。
(實(shí)施例17)在與實(shí)施例16的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.635mm的氮化鋁襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例16相同的效果。
(實(shí)施例18)在與實(shí)施例16的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.32mm的氮化硅襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例16相同的效果。
(實(shí)施例19)如圖4所示，準(zhǔn)備兩塊陶瓷底板1，每一塊都由厚度為0.25mm、尺寸為40mm×40mm的氧化鋁襯底組成。兩塊陶瓷底板1彼此相距10cm放置在碳模具上(未示出)。
準(zhǔn)備厚度為0.635mm、尺寸為10mm×20mm的兩層氧化鋁12并放置在模具中。
然后將該碳模具插入爐子中。爐中保持不高于100ppm的氮?dú)夂脱鯕?。在爐中于750℃下加熱按重量計(jì)分別為99.5％的鋁和0.5％的銅，以得到它們的熔融態(tài)。除去熔態(tài)鋁合金表面的氧化膜，通過一個(gè)碳圓柱在爐中施加壓力將熔態(tài)鋁合金注入模具中。模具如此設(shè)計(jì)，以致于當(dāng)熔態(tài)鋁合金注入模具時(shí)，在每一塊陶瓷底板1的一個(gè)表面上(電路層一側(cè)的表面)能形成厚度為0.4mm、尺寸為39mm×39mm的鋁片2，在兩塊陶瓷底板1的另一表面上形成厚度為5mm、尺寸為110mm×60mm的基板3，在基板3固定陶瓷底板1的表面與氧化鋁層12之間形成一高度為3mm、尺寸為10mm×20mm的接線基部10，在每一氧化鋁層上形成厚度為0.4mm、尺寸為9mm×19mm的鋁膜13，并在基板3的另一表面上形成多個(gè)平行的鋁散熱片4，散熱片4在縱向方向上彼此間隔5mm，從基板3上沿著與在基板3上接合陶瓷底板1相反的方向伸展，每一個(gè)散熱片4高為25mm、厚度為5mm。冷卻模具以使熔態(tài)鋁合金固化并與陶瓷底板1相接合。模具在室溫下冷卻，將這樣得到的組合構(gòu)件從模具中移出。通過在其上印刷具有預(yù)定形狀的防蝕涂層并使用氯化鐵溶液蝕刻，而在鋁片2的一個(gè)表面上形成電路圖案。在除去防蝕涂層后，采用非電解的鎳電鍍法在鋁上形成厚度為3μm的鎳層，使得可制得包括與具有基板3和散熱片4的陶瓷底板1直接接合的鋁片2的組合構(gòu)件。
采用超聲波焊接形成將電子零件與接線基部10上的接線端相連接的鋁金屬絲。鋁基板3一表面上的氧化鋁層12比位于鋁基板3同一表面上的陶瓷底板1高出接線基部10的高度。
用超聲波探傷器檢測本發(fā)明的組合構(gòu)件。在鋁片2和陶瓷底板1的邊界面以及基板3和陶瓷底板1的邊界面上，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。此外，陶瓷底板1上未發(fā)現(xiàn)有裂紋。進(jìn)行熱循環(huán)測試以評(píng)估已檢測的組合構(gòu)件。一種熱循環(huán)是在-40℃下保溫30分鐘，25℃下保溫10分鐘，125℃下保溫30分鐘，25℃下再保溫10分鐘。
在經(jīng)歷3000次熱循環(huán)后，再次用超聲波探傷器檢測邊界面，確認(rèn)在陶瓷底板上1上沒有變化、沒有裂紋。
(實(shí)施例20)在與實(shí)施例19的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.635mm的氮化鋁襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例19相同的效果。
(實(shí)施例21)在與實(shí)施例19的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.32mm的氮化硅襯底作為陶瓷底板。得到與實(shí)施例19相同的效果。
(比較實(shí)例1)準(zhǔn)備一塊帶有散熱片的基板用作對(duì)比。使用銑床切割厚度為30mm、尺寸為110mm×60mm、純度為99.7％(JIS No.1070)的鋁塊，使得在其一表面上形成多個(gè)高為25mm、厚度為5mm、在縱向方向上彼此間隔5mm的平行鋁散熱片。準(zhǔn)備兩塊厚度為0.25mm、尺寸為40mm×40mm的氧化鋁襯底作為陶瓷底板。準(zhǔn)備兩塊厚度為0.4mm、尺寸為39mm×39mm、純度為4N的鋁片。準(zhǔn)備一厚度為20μm、由按重量計(jì)分別為95％的鋁，4％的銅和1％的鎂組成的銅合金箔。每一塊厚度為0.4mm的鋁片通過厚度為20μm的銅合金箔與每一塊陶瓷底板的一表面相接合。陶瓷底板的另一表面通過厚度為20μm的銅合金箔與具有散熱片的鋁基板相接合，兩塊陶瓷底板彼此間隔10mm。應(yīng)用20Kgf/cm2的壓力時(shí)，于10-4托真空度、在630℃下，使鋁片、陶瓷底板和基板接合在一起。組合之后，在每一塊厚度為0.4mm的鋁片的一個(gè)表面上印刷具有預(yù)定形狀的防蝕涂層并使用氯化鐵溶液蝕刻，以形成電路圖案。在除去防蝕涂層后，采用非電解的鎳電鍍法在鋁片上形成厚度為3μm的鎳層，以致于可制得包括與陶瓷底板直接接合的兩塊鋁片的組合構(gòu)件。
用超聲波探傷器檢測用于對(duì)比的組合構(gòu)件。在鋁片和陶瓷底板的邊界面以及基板和陶瓷底板的邊界面上，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。此外，陶瓷底板上未發(fā)現(xiàn)有裂紋。進(jìn)行熱循環(huán)測試以評(píng)估已檢測的組合構(gòu)件。
一種熱循環(huán)是在-40℃下保溫30分鐘，25℃下保溫10分鐘，125℃下保溫30分鐘，25℃下再保溫10分鐘。在經(jīng)歷3000次熱循環(huán)后，再次用超聲波探傷器檢測邊界面，確認(rèn)在陶瓷底板上沒有裂紋。
然而，確認(rèn)在陶瓷底板和基板之間的邊界面有大約10mm的剝離，但確認(rèn)在陶瓷底板上沒有裂紋。
(比較實(shí)例2)在與比較例1相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.635mm的氮化鋁襯底作為陶瓷底板。得到與比較例1相同的效果。
(比較實(shí)例3)在與比較例1的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.32mm的氮化硅襯底作為陶瓷底板。得到與比較例1相同的效果。
(比較實(shí)例4)準(zhǔn)備一塊帶有散熱片的基板用作對(duì)比。使用銑床切割厚度為30mm、尺寸為110mm×60mm、純度為4N的鋁塊，以在其一表面上形成多個(gè)高為25mm、厚度為5mm、在縱向方向上彼此間隔5mm的平行鋁散熱片。準(zhǔn)備兩塊厚度為0.25mm、尺寸為40mm×40mm的氧化鋁襯底作為陶瓷底板。準(zhǔn)備兩塊厚度為0.4mm、尺寸為39mm×39mm、純度為4N的鋁片。準(zhǔn)備一厚度為20μm、由按重量計(jì)分別為95％的鋁、4％的銅和1％的鎂組成的釬焊合金箔。每一塊厚度為0.4mm的鋁片通過厚度為20μm的釬焊合金箔與陶瓷底板的一表面相接合。陶瓷底板的另一表面通過厚度為20μm的釬焊合金箔與具有散熱片的鋁基板相接合，兩塊陶瓷底板彼此間隔10mm。應(yīng)用20Kgf/cm2的壓力，于10-4托真空度、在630℃下，使鋁片、陶瓷底板和基板接合在一起。組合之后，在每一塊厚度為0.4mm的鋁片的一個(gè)表面上印刷具有預(yù)定形狀的防蝕涂層并使用氯化鐵溶液蝕刻，以形成電路圖案。在除去防蝕涂層后，采用非電解的鎳電鍍法在鋁片上形成厚度為3μm的鎳層，這樣可制得包括與陶瓷底板直接接合的兩塊鋁片的組合構(gòu)件。
用超聲波探傷器檢測用于對(duì)比的組合構(gòu)件。在鋁片和陶瓷底板的邊界面以及基板和陶瓷底板的邊界面上，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。此外，陶瓷底板上未發(fā)現(xiàn)裂紋。進(jìn)行熱循環(huán)測試以評(píng)估已檢測的組合構(gòu)件。
一種熱循環(huán)是在-40℃下保溫30分鐘，25℃下保溫10分鐘，125℃下保溫30分鐘，25℃下再保溫10分鐘。在經(jīng)歷3000次熱循環(huán)后，再次用超聲波探傷器檢測邊界面，確認(rèn)在陶瓷底板上沒有裂紋。然而，確認(rèn)在陶瓷底板和基板之間的邊界面有大約10mm的剝離，但確認(rèn)在陶瓷底板上沒有裂紋。
(比較實(shí)例5)在與比較例4相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.635mm的氮化鋁襯底作為陶瓷底板。得到與比較例4相同的效果。
(比較實(shí)例6)在與比較例4的相同條件下形成組合構(gòu)件，不同的是使用厚度為0.32mm的氮化硅襯底作為陶瓷底板。得到與比較例4相同的效果。
表1顯示了上述所有的結(jié)果。
表1

根據(jù)本發(fā)明，與傳統(tǒng)方法相反并不把鉛焊用于陶瓷電路底板與金屬基板或者組合構(gòu)件的連接，因此可以獲得良好的生活環(huán)境，減少熱傳輸?shù)膿p失和熱輻射的損耗。此外，不存在由于鉛焊料的孔隙而使產(chǎn)率減少的風(fēng)險(xiǎn)?？梢允÷院附咏饘倩寤蛘吆铣蓸?gòu)件的組裝步驟。更進(jìn)一步地，沒有必要使用傳熱油脂來連接陶瓷電路底板和散熱片，所以可以防止不良熱傳輸。
通過用含有鋁系列釬焊材料將陶瓷底板，例如氮化鋁與鋁電路板和散熱片相連接，解決使用鉛焊而帶來的問題?？墒?，當(dāng)它們作為電源模塊并安置在交通工具中，例如自動(dòng)和電動(dòng)汽車，它們會(huì)被交替地、經(jīng)常地加熱和冷卻，使得在陶瓷底板和鋁片之間的界面層會(huì)產(chǎn)生剝離，或者由于陶瓷底板和鋁片之間熱膨脹系數(shù)不同以及使用了釬焊材料，而使得陶瓷底板受損。實(shí)際使用的釬焊材料的厚度最好是幾百個(gè)μm，相對(duì)于放熱片或散熱片的幾個(gè)mm非常小。
另外，釬焊材料層是脆性的，0.2的偏移會(huì)產(chǎn)生變形應(yīng)力，并且這樣產(chǎn)生的熱應(yīng)力很大，使得在邊界層的釬焊材料層或者陶瓷底板本身受到損壞。
在本發(fā)明中，沒有使用釬焊材料，陶瓷底板直接與鋁片相接合，利用了焊接金屬的塑性形變，因而可以減少在邊界層的應(yīng)力集中。根據(jù)本發(fā)明，熱循環(huán)抗力相對(duì)于使用釬焊材料的情況有顯著的提高。也就是說，根據(jù)本發(fā)明，可制備一種高可靠性、可應(yīng)用于交通工具的鋁-陶瓷組合構(gòu)件。本發(fā)明的組合構(gòu)件中，在3000次熱循環(huán)試驗(yàn)后，確認(rèn)在鋁片和陶瓷底板的邊界層沒有任何變化，陶瓷底板上沒有形成任何裂紋。一種熱循環(huán)是從室溫到-40℃并在-40℃下保溫30分鐘，改變到室溫下保溫10分鐘，升溫到125℃保溫30分鐘，并改變到室溫再保持10分鐘。
作為一種將陶瓷底板和鋁片直接接合的方法，一種熔融金屬焊接方法，一種直接接合方法，其中，鋁片放置于陶瓷底板上并在惰性氣體，如氮?dú)庵屑訜?，或者可考慮一種Al-Si等共熔焊接的方法。
在熔融金屬焊接方法中，熔態(tài)鋁注入到將陶瓷底板固定在預(yù)定位置的模具中，以便熔態(tài)鋁可以固化并接合在陶瓷底板上。熔融金屬焊接法的特征是可選擇模具的設(shè)計(jì)而容易制成具有不同形狀的散熱片。其他方法的特征是在氮?dú)夥栈蛘婵諚l件下將帶有散熱片的鋁元件與陶瓷底板焊接，散熱片由切削加工或鍛造等預(yù)先制成預(yù)定形狀。散熱片的形狀由安裝在電路板上的元件的熱量決定。一般地，高度為幾個(gè)cm，厚度為幾個(gè)mm，彼此相距幾個(gè)mm的如圖1所示的散熱片，可容易地由切削加工或鍛造而制得。
將鋁元件的尺寸制造得比陶瓷底板大，這用于電源模塊制造步驟，使得從陶瓷底板上突出的鋁元件的一部分可以用作為塑料封裝等的接合部分。更進(jìn)一步地，在突出部分，當(dāng)其被冷卻時(shí)抗壓應(yīng)力會(huì)施加于鋁元件的散熱片，導(dǎo)致熱循環(huán)抗力升高。上面提到的突出部分也能用作模塊組裝步驟的參考面，例如焊接，(集成電路)引線接合法和封裝等等。
在散熱元件上形成圍住陶瓷底板的壁的情況，此壁在制造電源模塊時(shí)可用作容器以盛放代替塑料封裝的絕緣凝膠，并直接作為模塊的結(jié)構(gòu)。
在散熱元件上形成接線基部的情況，可以省略使用傳統(tǒng)方法在電源模塊上形成金屬-陶瓷板組合構(gòu)件的步驟。散熱元件由含銅的鋁形成的情況，能提高抗熔蝕性能。
根據(jù)本發(fā)明的鋁-陶瓷組合構(gòu)件包括陶瓷底板，形成在陶瓷底板的一個(gè)表面上、其上固定電子零件的傳導(dǎo)元件，以及直接接合在陶瓷底板的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金的水冷卻護(hù)套。
在該組合構(gòu)件中，使用水冷卻護(hù)套能具備更穩(wěn)定的冷卻能力?？紤]到腐蝕的存在，優(yōu)選將銅加入到鋁或鋁合金中以形成水冷卻護(hù)套。就組合構(gòu)件構(gòu)造的適應(yīng)性和焊接的可靠性而言，優(yōu)選使用熔融金屬焊接方法作為直接接合方法。
關(guān)于陶瓷底板，就散熱而言優(yōu)選使用氮化鋁，就強(qiáng)度而言優(yōu)選使用氮化硅，就成本而言優(yōu)選使用氧化鋁。就電路設(shè)計(jì)來說使用多個(gè)陶瓷底板是可行的。
通過使用本發(fā)明的鋁-陶瓷組合構(gòu)件，能獲得一種具有高散熱性能、高熱循環(huán)抗力和低組裝成本的電源模塊。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的組合構(gòu)件，鋁片和陶瓷底板的結(jié)合力比用釬焊方法的大而且?guī)缀醪划a(chǎn)生接合缺陷。使用釬焊方法制成的傳統(tǒng)組合構(gòu)件中，鋁散熱片通過鍛造或切削加工鋁塊制成，并在真空中用釬焊材料焊接到陶瓷底板上。在本發(fā)明中，與此相反的是，散熱片可在鋁片與陶瓷底板接合的同時(shí)制成。從而，低成本地制成了高散熱性能，高可靠性并適應(yīng)安裝于高功率電子零件例如電源模塊的組合構(gòu)件。
雖然本發(fā)明結(jié)合了特殊實(shí)施例進(jìn)行描述，但許多替換、改進(jìn)和變化對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，本發(fā)明作為列舉的優(yōu)選實(shí)施例僅僅是舉例說明，而不是用作對(duì)本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的情況下，可得到不同變化。本發(fā)明的范圍將由此后所附的權(quán)利要求進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種鋁-陶瓷組合構(gòu)件，其特征在于包括一個(gè)陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一個(gè)表面上形成、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金散熱元件(3)。
2.如權(quán)利要求1所述的組合構(gòu)件，其中所述散熱元件(3)的尺寸大于陶瓷底板(1)的尺寸。
3.如權(quán)利要求1或2所述的組合構(gòu)件，其特征在于所述散熱元件(3)具有包圍陶瓷底板(1)的壁(9)。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述的組合構(gòu)件，其特征在于所述散熱元件(3)具有一接線基部(10)。
5.如權(quán)利要求1，2，3或4所述的組合構(gòu)件，其特征在于所述散熱元件(3)包括銅。
6.一種鋁-陶瓷組合構(gòu)件，其特征在于包括一個(gè)陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一個(gè)表面上形成、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金水冷卻護(hù)套(5)。
7.如權(quán)利要求9所述的組合構(gòu)件，其特征在于所述水冷卻護(hù)套(5)包括銅。
8.如權(quán)利要求1，2，3，4，5，6或7所述的組合構(gòu)件，其中所述直接接合通過熔融焊接法實(shí)現(xiàn)。
9.如權(quán)利要求1，2，3，4，5，6，7或8所述的組合構(gòu)件，其特征在于所述陶瓷底板(1)的主要成分是氧化鋁，氮化鋁或氮化硅中的一種。
10.一種鋁-陶瓷組合構(gòu)件，其特征在于包括多個(gè)陶瓷底板(1)，在每一塊陶瓷底板(1)的一個(gè)表面上形成、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件(2)，以及直接接合在每一塊陶瓷底板(1)的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金散熱元件(3)。
11.一種鋁-陶瓷組合構(gòu)件，其特征在于包括多個(gè)陶瓷底板(1)，在每一塊陶瓷底板(1)的一個(gè)表面上形成、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件(2)，以及直接接合在每一塊陶瓷底板(1)的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金水冷卻護(hù)套(5)。
12.一電源模塊，其特征在于包括鋁-陶瓷組合構(gòu)件，該構(gòu)件由以下組成一個(gè)陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一個(gè)表面上形成、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金散熱元件(3)。
13.一電源模塊，其特征在于包括鋁-陶瓷組合構(gòu)件，該構(gòu)件由以下組成一個(gè)陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一個(gè)表面上形成、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金水冷卻護(hù)套(5)。
14.一電源模塊，其特征在于包括鋁-陶瓷組合構(gòu)件，該構(gòu)件由以下組成多個(gè)陶瓷底板(1)，在每一塊陶瓷底板(1)的一個(gè)表面上形成、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件(2)，以及直接接合在每一塊陶瓷底板(1)的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金散熱元件(3)。
15.一電源模塊，其特征在于包括鋁-陶瓷組合構(gòu)件，該構(gòu)件由以下組成多個(gè)陶瓷底板(1)，在每一塊陶瓷底板(1)的一個(gè)表面上形成、其上固定電子零件的傳導(dǎo)元件(2)，以及直接接合在每一塊陶瓷底板(1)的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金水冷卻護(hù)套(5)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種鋁－陶瓷組合構(gòu)件。該組合構(gòu)件包括陶瓷底板(1)，在陶瓷底板(1)的一個(gè)表面上形成、其上固定電子零件的導(dǎo)電元件(2)，以及直接接合在陶瓷底板(1)的另一個(gè)表面上的鋁或鋁合金水冷卻護(hù)套(5)。
文檔編號(hào)C04B37/02GK1497711SQ03127280
公開日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2003年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者小山內(nèi)英世, 浪岡睦, 伊與西憲, 憲 申請(qǐng)人:同和礦業(yè)株式會(huì)社