专利名称：用于借助于放热纳米膜生成密封的电馈通部的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的方法以及根据并列独立权 利要求所述的装置。
背景技术：
随着机电一体化，越来越多地在显著更高的环境温度/损耗功率的情况下同时 在非常恶劣的使用条件以及环境影响的情况下使用电子装置和传感机构。在此，尤其是 在高温电子装置的领域中，在最小安装空间上的密封的、鲁棒的和可集成的通向外界的 连接变得必要。在高于150°C的温度下，塑料壳体中的电馈通部常常只在有限条件下适 用。研究显示，在180°C时，在250小时内就已经导致集成在塑料壳体中的电路首次发生 故障。常规的金属玻璃电馈通部常常在可制造性方面、尤其是在平面的制造方法和热适 应方面以及在集成到封装中时出现问题。对于例如配备有可伐合金(Kovar)(可伐合金表示具有小热膨胀系数_通常大约 为5ppm/k-的合金，该热膨胀系数因此小于金属的该系数；组成例如为54%铁、29%镍 和17%钴，其中其它组成同样是可能的)的金属壳体中常见的电馈通部，使用玻璃馈通 部。随后，借助于覆盖物进行封闭，该覆盖物在多数情况下通过轧辊焊缝被焊接。在陶 瓷壳体的情况下，使用以多层技术烧结的具有金属化的电流馈通部的陶瓷。在此，为了 芯片安装和通过接合进行布线，设置有空腔。覆盖物通常必须被焊接，尤其是借助于保 护气体在不使用焊剂的情况下被焊接，其中使用金表面。在塑料壳体中的电馈通部的情 况下，常常使用压力注塑包封的金属框架/引线框架。由塑料制成的包封体鉴于所需的 密封性以及由于所出现的机械应力仅能有限地用于较高温度。[1]公开了在热沉固定的情况下将界面的热阻减少为十分之一。“Reaktiv Nano Techologies(RNT)"公司已经开发出新型的连接技术平台，该连接技术平台可以构造芯 片壳体与热沉之间的金属接合，并且在此具有当前热界面材料(TIM)的热阻的十分之一 的界面热阻。连接过程所基于的是将反应式多层膜用作局部热源。所述膜是新种类的 纳米产品材料，其中可以在室温下利用热线或激光触发自传播的放热反应。在将多层膜 插入到两个焊剂层和芯片壳体以及热沉之间时，通过膜中的化学反应所产生的热将焊剂 加热到使得该焊剂熔化并且紧接着接合部件。该连接过程可以在空气、氩气、或者真空 中在大约1秒内完成。所得到的金属连接显示出比当前市售的热界面材料(TIM)大两个 数量级的热导率以及比当前市售的热界面材料(TIM)小一个数量级的热阻。在使用数值 模型的情况下显示出，微电子壳体在该连接期间的热负荷非常有限。最后，从数值上显 示，可以在不热损害芯片的情况下将该反应式连接用于将未加工硅芯片直接焊接到热沉 处。[2]公开了在使用室温焊接的情况下利用铟直接固定未加工芯片。描述有一种 新型的连接过程，该连接过程使得能够在室温时通过将反应式多层膜用作局部热源来进 行无焊剂的无铅的焊接。通过激活部件上焊剂层之间的多层膜，通过膜内的反应而产生热。该过程提供足够的局部热量以熔化焊剂并且接合这些部件。描述有将膜用于使得能 够将未加工硅芯片直接固定在热管理部件处。用于预测连接期间在不同界面处的温度的 模型系统的结果被示出并且被验证。在最后的部分，关于热性能的数据被提供，这些数 据显示实现对未加工芯片大小的6倍至8倍、即从8x8mm到17.5xl7.5mm的改善。
发明内容
本发明的任务是安全和可靠地提供一种方法，该方法用于生成至少一个被定位 在衬底上以及封装内的电子器件通向所述封装外部的至少一个密封的电连接。该功能性 将在尤其是大于140°C的范围内的高环境温度时以及在尤其是高达600瓦的范围内的高损 耗功率的情况下以及在例如高空气湿度的极端环境影响时安全和可靠地得以保持，其中 例如给定在0.05mm2至150mm2的范围内的电子器件大小。该任务通过一种根据独立权利要求所述的方法以及一种根据并列独立权利要求 所述的装置来解决。为了密封地进行电馈通/接触，使用具有反应式纳米膜以及在其两侧生成的焊 剂层的布置。纳米膜是具有反应式填充料的膜，该反应式填充料在发起时发生放热反应。根 据本发明，可以借助于纳米膜触发放热反应。适于作为纳米膜的尤其是所谓的以Reactive Nanotechnologies RNT公司的商标名称NanoFoi 1 销售的膜。在放热反应时，例如在 铝镍多层的情况下产生1000°c至2000°C范围内的高温。电连接或馈通部是密封的并且可以容易地集成，因为所述电连接或馈通部是平 坦的并且良好地导热。以简单的方式提供可容易集成的平坦的电馈通部。该电馈通部具 有良好的导热性以及热扩散性。通过在焊接时利用反应式纳米膜的限制在局部的加热，在同时对器件的温度负 荷显著更小的情况下导致热致机械应力的减小。结合从属权利要求来对其它有利的扩展方案要求保护。根据一个有利的扩展方案，在封装外部激活纳米膜的放热反应，以使电连接接 触至少一个电接触部。也就是说，纳米膜除了用于封装之外同样用于接触电连接。根据另一有利的扩展方案，激活纳米膜的单次放热反应以同时封闭输出端以及 使电连接接触至少一个电接触部。也就是说，通过激活纳米膜的单次共同的放热反应来 提供对输出端的封闭以及电连接的接触。所得出的优点是，可以给电馈通部配备密封的 封闭，并且同时提供对电子器件或芯片的电接触。通过这种设计，可以在一个过程中 对器件或芯片的电馈通部和/或接触部进行封闭以及封装，也就是说例如可以取消线接
合 O根据另一有利的扩展方案，借助于激光束激活纳米膜的放热反应。由于被限制 在局部的加热，出现热致应力的减小。因此，通过激光器引起放热反映的激活。根据另一有利的扩展方案，所述激光器是二氧化碳激光器和/或二极管激光 器。通过激光器将具有可有针对性地通过放热触发的反应的反应式纳米膜用于产生密封 的电馈通部。根据另一有利的扩展方案，借助于粘合剂将纳米膜固定在衬底上。
根据另一有利的扩展方案，借助于导电粘合剂使电子器件接触纳米膜。根据另一有利的扩展方案，借助于玻璃和/或陶瓷来生成封装。根据另一有利的扩展方案，生成至少一个电通孔接触部，所述电通孔接触部从 纳米膜穿过衬底到达衬底的背向纳米膜那侧的至少一个金属化部。根据另一有利的扩展方案，借助于多层High Temperature Cofired Ceramic(高温 共烧陶瓷)(HTCC;高温多层陶瓷)生成所述通孔接触部。
结合附图根据实施例进一步阐述本发明。图1以示意图示出根据本发明所生成的装置的实施例，该装置具有借助于放热 纳米膜密封的电馈通部；图2示出接合区域中的温度谱的图示；图3示出根据本发明的方法的实施例的步骤。
具体实施例方式图1示出根据本发明所生成的装置的实施例。附图标记1表示同样可以称为通孔 接触部的电连接。该电连接配备有活性纳米膜2，该活性纳米膜2例如具有铝和镍。纳 米膜2在两侧分别涂覆有焊剂层，该焊剂层例如具有AgSn。附图标记3表示衬底。附 图标记5表示封装或壳体覆盖体，该封装或壳体覆盖体例如具有陶瓷和/或玻璃。在封 装5内固定有电子器件7。经过涂覆的纳米膜2被结构化地施加在衬底3上。电子器件 7接触结构化的纳米膜2。附图标记9表示这样的接触部。附图标记11表示用于发起反 应式纳米膜2的放热反应的激光束。图1同样示出电通孔接触部13，该电通孔接触部13 从纳米膜穿过衬底3到达衬底3的背向纳米膜2那侧的至少一个金属化部15。图2示出接合区域中的温度谱。接合区域中的这样的温度谱可以借助于数值模 型被计算出来并且通过给纳米膜2和焊剂层厚度定尺寸来调节。图2以铜/铝组合的示 例示出瞬时温度变化曲线的计算。图2摘引自[1]的第5a页。在相应地对接合区域进行 限制在局部的加热的情况下，导致小于1毫秒的非常快速的温度上升/下降。图3示出根据本发明方法的实施例的步骤，该方法用于生成被定位在衬底3上以 及封装5内的至少一个电子器件7通向封装5外部的至少一个密封的电连接1。根据步 骤Si，将至少一个结构化的在两侧分别涂覆有焊剂层的反应式纳米膜2固定在衬底3上。 利用步骤S2，使电子器件7接触纳米膜2的背向衬底3的那侧。利用步骤S3，在衬底3 和/或纳米膜2上生成电子器件7的封装5。利用步骤S4，在封装5外部激活纳米膜2 的放热反应，以封闭电连接1的输出端。参考文献[1] “ A Tenfold Reduction in Interface Thermal Resistance for Heat Sink Mounting，，D.Van Heerden, O.M.Knio,以及 T.P.Weihs ; Reaktive Nano Technologies, 111 Lake Front Drive, Hunt Valley, MD 21030。 [2] "Direct Die Attach With Indium Using a Room Temperature Soldering Process，，J. S.Subramanian, T.Rude， J.Newson, Z.He, E.Besnoin, T.Weihs ； Reaktive NanoTechnologies, 111 Lake Front Drive, Hunt Valley, MD 21030c
权利要求
1.一种用于生成至少一个被定位在衬底(3)上以及封装(5)内的电子器件(7)通向封 装(5)外部的至少一个电连接(1)的方法，其特征在于下列步骤将至少一个结构化的在两侧分别涂覆有焊剂层的反应式纳米膜(2)固定在衬底(3) 上，所述焊剂层形成电连接(1)；使电子器件(7)在纳米膜(2)的背向衬底(3)那侧接触纳米膜(2)； 在衬底⑶和/或纳米膜⑵上生成围绕电子器件(7)的封装(5)； 在封装(5)外部、在电连接⑴离开封装(5)的输出端处激活纳米膜(2)的放热反 应，以封闭输出端。
2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于，在封装(5)外部激活纳米膜(2)的放热反应，以使电连接(1)接触至少一个电接触部。
3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于，激活纳米膜(2)的单次放热反应，以同时封闭所述输出端以及使电连接(1)接触至少 一个电接触部。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法， 其特征在于，借助于激光束激活纳米膜(2)的放热反应。
5.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于二氧化碳激光器和/或二极管激光器的激光束。
6.根据权利要求1至5之一所述的方法， 其特征在于，借助于粘合剂将纳米膜(2)固定在衬底(3)上。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法， 其特征在于，借助于导电粘合剂使电子器件(7)接触纳米膜(2)。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法， 其特征在于，借助于玻璃和/或陶瓷生成封装(5)。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法， 其特征在于，生成至少一个电通孔接触部(13)，所述电通孔接触部(13)从纳米膜(2)穿过衬底 (3)到达衬底⑶的背向纳米膜⑵那侧上的至少一个金属化部(15)。
10.根据权利要求9所述的方法， 其特征在于，借助于多层高温共烧陶瓷(HTCC;高温多层陶瓷)生成所述通孔接触部。
11.一种装置，具有至少一个被固定在衬底(3)上以及封装(5)内的电子器件(7)通向封装(5)外部的至少一个电连接(1)，其特征在于，所述装置根据前述权利要求之一生 成。
全文摘要
本发明涉及一种用于生成至少一个被定位在衬底(3)上以及封装(5)内的电子器件(7)通向封装(5)外部的至少一个电连接(1)的方法。电连接(1)的功能性将在高于140℃的环境温度时以及在高损耗功率的情况下以及在极端的环境影响的情况下被提供。本发明的特点在于，通过激光器将具有可有针对性地通过放热触发的反应的反应式纳米膜(2)用于产生密封的电连接(1)。借助于纳米膜(2)，可以提供电连接(1)的输出端以及电连接(1)与至少一个另外的电接触部的接触。
文档编号H01L21/60GK102017110SQ200980115169
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月28日 优先权日2008年4月28日
发明者H·武尔克施, J·瑙恩多夫 申请人:西门子公司