CN110891732A - 用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜和用于其制造的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜和用于其制造的方法，藉由所述焊接薄膜，金属的结构部件和/或金属化的/以金属进行覆层的结构部件、也就是说相邻的结构部件的金属的表面层能够与彼此连接。本发明的任务是，提供经济的、环保的并且健康上不让人顾虑的、无铅的焊接薄膜用于扩散焊接，藉由所述焊接薄膜，在对于所述软焊接典型的工艺温度范围中，也就是说在大约240℃的情况下并且在低于5 min的焊接时间中，在没有接着的热处理和不在焊接期间施加压紧力的情况下，能够将待焊接的结构部件的表面层如下地与彼此连接，使得产生以具有高于400℃的再熔化温度的金属间的相的形式的高熔点的连接区域的连续的层。根据本发明的用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜（1）包含焊料复合原料（4），所述焊料复合原料通过滚压包层制造，并且然后其如下地构建，使得在软焊料基体（5）的无铅的软焊料环境中，高熔点的金属成分（7）的紧密的颗粒（6）完全地由所述无铅的软焊料（8）包围，其中，所述高熔点的金属成分（7）的分散地分布的颗粒（6）沿薄膜厚度的方向具有从3μm到20μm的厚度，所述颗粒（6）在所述软焊料基体（5）中相对于彼此的间距为1μm至10μm，所述高熔点的金属成分（7）的颗粒中的每个全面地由所述无铅的软焊料（8）的1μm至10μm厚的层包裹，并且所述焊接薄膜（1）具有相邻于所述待接合的结构部件（2）的金属的表面层（3）的外部的外周层（10），其层厚度为从2μm至10μm并且其由软焊料（8）构成。

Description

用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜和用于其制造的方法
技术领域
本发明涉及用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜和用于其制造的方法，藉由所述焊接薄膜，金属的结构部件和/或金属化的/以金属进行覆层的结构部件、也就是说相邻的结构部件的金属的表面层能够与彼此连接。
背景技术
如今在电子学中并且在此尤其在功率电子学中，焊接位置的可靠性要求焊接材料以及藉由其产生的连接区域的十分良好的机械的、电的和热的性质，其中，其稳定性现在应该扩展到越来越高的温度范围上。
在此，出于环境保护和健康上不让人顾虑的原因，国际的趋势趋向使用环保的并且健康上不让人顾虑的无铅的焊料材料。
在转换到无铅的焊料的过程中已经开发了很多的、大部分基于锌的焊料变型方案，所述变型方案虽然相比于含铅的合金还具有良好的机械的、电的和热的性质，然而在大约214℃至250℃的范围中熔化，从而其良好的性质的稳定性被限制到至大约150℃的使用范围。
对于较高的工作/使用温度目前不存在将在功率电子学中所要求的性质的温度稳定性与必须的可靠性和经济性统一的无铅的焊料。
因此在高温度应用的情况下，也就是说尤其在还高于250℃的工作温度的情况下存在如下可能性，即开发新的成本适宜地待应用的无铅的焊料薄膜，所述焊料薄膜符合在功率电子学中需要的对于温度控制（Temperaturführung）的要求，以便一方面在焊接工艺期间不损害待连接的组合件并且另一方面，还在经济性的观察点下，得到高温度稳定的焊料连接，所述焊料连接保证在相邻的结构部件之间的连接区域的高的热的可靠性。
现在，在电子学和相近的工业分支中部分地使用具有280℃的熔化温度的成本高的低共熔的Au80Sn20焊料。
然而，如例如用于焊接在功率电子学的开关中的Si半导体电路的Au80Sn20焊料的广泛的应用出于高成本的原因对于焊料材料是不可行的。
就此而言，在US 7659614 B2中还在前描述了以金和/或银进行覆层的基层和电子的结构部件在应用含锌的金或铟焊料的情况下的接合。在使用所述材料时，构造有由带有具有比最初使用的焊料高的熔化温度的锌和/或铟连接区域的金属化层构成的金和/或银。接合工艺在至少250℃的情况下开始并且持续10 min至30 min，在此，然而轻的压紧力总是必须的，这然而还更消耗地设计焊接工艺。
因此，所述在专利US 7659614 B2中公开的教义的使用基于对于覆层和焊料的工艺的消耗和高的材料成本对于大规模的应用保持十分受限制。
因为在工业中迄今没有对于含金的合金的技术上和经济上可代替的无铅的备选方案供使用，尽管对于环保的和在健康上不让人顾虑的无铅的焊料材料的国际的需求公布例外规定，根据所述例外规定，在高熔点的焊料（也就是说，以铅为基础的具有至少85%铅的质量份额的焊接合金）中，铅至今还总是被允许，并且因此在实践中尽管有卫生的顾虑和关于环境保护的顾虑还经常得到应用。
由于具有宽的带间距的半导体（Wide-Band Gap-Halbleitern）、如例如由工作温度能够升高到远高于200℃的SiC或GaN构成的半导体的增加的使用，然而，强烈地开始有对于符合在高温度应用的范围中、也就是说在150℃至400℃的范围中的工作温度的技术的要求的焊料连接的需求。
为了解决所述问题，此外开发烧结技术，通过所述烧结技术的帮助，大多数含银的膏被用于接合电子的结构部件。然而与焊接相反，在所述接合方法中压紧力是强制地必要的。然而，所述附加的工艺的成分“压紧力”也是直到现在还不能够大规模地实施烧结技术的重要的原因。
另外的备选方案随着反应焊料的使用被发现。所述反应焊料是由至少两个不同的材料的少数纳米厚的层构建的反应性的多层系统。在激活之后，扩散在层之间开始，所述扩散快速地发展成为放热的反应。这提供了对于熔化焊料必须的热。对此，两个配合的金属的很薄的（明显小于1μm）层必须如此经常地交替地沉淀到彼此上，使得整体上以40μm至150μm的总厚度构建薄膜，然而，其外部的层由焊料构成。从所述分层的薄膜中能够分开焊料成型部件。备选地，所述金属还能够交替地沉淀到待焊接的结构部件上，其中，外部的层又必须是焊料。接合工艺通过反应性的层的点火开始，速度和热量仅仅能够通过层结构得到控制，也就是说，单独地对于每个想得到的焊接任务在制造待焊接的结构部件的成型部件或覆层时已经能够被确定，这对于所述技术的广泛的并且普遍的应用意味着大的阻碍。
软焊接的广泛地应用的技术的变型方案呈现如下扩散焊接，所述扩散焊接在使用传统的技术的情况下，当然在附加不同的工艺的步骤的情况下，如应用外部的压紧力或接着的热处理或通过较长的焊接型材的情况下得到实现。在这样的方法的结果中，在焊接工艺期间产生与软焊料的最初的成分不同的、固定地连接待接合的结构部件的材料，其熔化温度高于所使用的焊接材料的熔化温度。为了形成这种新的材料、高熔点的金属间的相，除了在焊接材料中常用的低熔点的金属，如例如锌之外，需要另外的高熔点的金属，如例如铜，从所述铜中通过扩散到彼此中构建金属间的相，其熔点高于低熔点的金属的熔点。
从DE 10 2007 010242 A1中已知一种用于借助于扩散焊接工艺连接两个金属层方法。这种在DE 10 2007 010242 A1中公开的解决方案的前提是，开始必须已经以特别的方式构造每个金属层并且其中至少一个金属层必须附加地设有焊料层。那么仅仅所述层的这种十分特殊的、匹配相应的待接合的成分的实施方案保证由这样的金属间的相构成的紧密的、正确地放置的连接区域的构造，而不必在焊接工艺期间又施加附加的压紧力。因此，这种在DE 10 2007 010242 A1中公开的解决方案还仅仅受限于十分特殊的应用，如例如从芯片到晶片上的焊接。
从US 8348139 B2中还已知用于扩散焊接的由金属的核构建的多层的焊接薄膜，所述金属的核由纯金属或其具有高于280℃的熔点的合金构成，并且其在两侧与相同的或不同的由锌或铟基底焊料构成的层连接，其中，所使用的焊料层的厚度至少为5μm。
在根据US 8348139 B2的多层的焊接薄膜的情况下，扩散焊接工艺在300℃至380℃的情况下，在5 min至8 min中实施。随后，为了保证金属间的相的连续的层，然而还必须执行所接合的成分的热处理。在这种解决方案中，在热处理之后还保持维持金属的核材料的没有更详细地界定的层厚度。
此外还从US 2006 186550 A中已知用于扩散焊接的多层的焊接薄膜，所述多层焊接薄膜能够从由Ag、Au、Cu或Ni构成的金属的核、被施覆在由锌、铟或铋基体焊料构成的两侧的层上。在扩散焊接工艺期间，两个软焊料层熔化并且与全面的核材料反应。根据按照US2006186550 A的解决方案，所施覆的层是1μm至最大20μm厚，由此，在焊接工艺的（在240℃的情况下大约10min的）有意义的持续时间之内，到如下程度地实现液态的相到金属间的相的转化，使得在随后的工艺步骤中在260℃的情况下保持保证所焊接的成分的附着。
在尤其N. Oeschler和C. Ehrhardt（N. Oeschler等：用于高度可靠的芯片基层连接的扩散焊接工艺，软焊接2013，DVS公报 卷290，55-61页以及C. Ehrhardt等：功率电子学的模块的连接技术的检查方法，软焊接2013，DVS公报 卷290，43-51页）的出版物中也已经研究了扩散焊接工艺本身，还有所产生的连接层的可靠性。在所述出版物中所描述的结果仅仅用于以铜/锌进行覆层的半导体基层连接并且还仅仅在应用压紧力的情况下能够得到。
在US 9620434 B1中同样借助于扩散焊接在前描述了功率电子学结构部件的接合，所述接合适用于高于250℃的工作温度。为此，使用分别由放置到待连接的成分上的高和低熔点的金属层构成的两个层系统。必要时，还在附加高和低熔点的金属颗粒的情况下在金属层之间构建并且随后加热总系统。所述解决方案的缺点在于，焊料材料的液态的相到金属间的连接/金属间的相的完全的转化仅仅通过显著地延长传统的焊接时间才是可行的，也就是说，在使用根据US 9620434 B1的解决方案时，强制地要求多于30分钟的工艺持续时间。
根据US 2017/0080662 A1，为了连接基层、在此尤其经受具有高于250℃的工作温度的热的循环的功率电子学的结构部件而使用具有内部的连接部位和外部的结合部位的复合连接层，所述外部的结合部位围绕内部的结合部位定位，其中，内部的结合部位的材料具有比外部的结合部位的材料大的弹性模量；所述复合连接层具有金属基体，其中，金属基体的一部分定位在外部的结合部位中并且金属基体的一部分定位在内部结合区域中，其中，金属基体的弹性模量大于软材料元件的弹性模量，而小于硬材料元件的弹性模量。所述在US 2017/0080662 A1中介绍的解决方案的焦点在于具有不同的热膨胀系数的材料之间的应力的平衡上。
这种被称为复合接合层的中间的基层的特殊情况还包含扩散焊料连接。然而，因为在参照发明的描述中没有做出对于接合工艺和对于接合持续时间以及对于所得到的接合位置的构建的说明，在所述解决方案中还从在现有技术中通常的焊接工艺持续时间出发，也就是说，从根据现有技术必要的高于30分钟的焊接工艺持续时间出发，以便得到液态的焊料材料到金属间的相的完全的转化。
从另外的、A. Syed-Khaja（A. Syed-Khaja等：在用于高温度功率电子设备的有效的和经济的生产的瞬间液相焊接（TLPS）中的工艺最优化，CIPS 2016，187-193页（Processoptimization in transient liquid phase soldering（TLPS） for an efficient andeconomical production of high temperature power electronics，CIPS 2016，S. 187-193））的出版物中，已知相应地由传统的焊料合金构成的用于将基层与半导体模块扩散焊接的各个焊料成型部件的使用。在所述出版物中说明具有不多于3％的铜的传统的SnCu焊料的薄的焊料成型部件（25μm）的使用在不应用压紧力的情况下实现高熔点的金属间的连接区域的完全的构造，然而为此，稍微较长的焊接时间和至少一个具有合适的粗糙度的以铜金属化的结构部件是必要的。然而，在使用由在两侧以纯锌包层的铜（Sn20μm/Cu35μm/Sn20μm）构成的焊料成型部件时，仅仅实现了到高熔点的相的部分的转化，也就是说，具有相应地低的熔化温度的软焊料份额保留在连接区域中。仅仅在应用以铜金属化的结构部件时，所述转化完全地进行。所有结果仅仅在260℃的温度的情况下的22 min的焊接时间之后藉由合适的粗糙度的结构部件已得到实现。
在出版物“功率电子学的模块的连接技术的检查方法”，软焊料2013，DVS公报卷290，43-51页中，C. Ehrhardt等描述了为了实现扩散焊接工艺，传统的无铅的焊料膏如例如SnAgCu必须附加地与高熔点的粉末如例如铜均匀地混合。在此，无铅的焊料膏的熔化的锌基底焊料熔解铜粉末并且能够构造有金属间的相Cu6Sn5和Cu3Sn。在使用所述与高熔点的粉末混合的无铅的焊料膏的情况下，在扩散焊接工艺中的液态的相在应用压紧力的情况下完全地转化为金属间的相。两个如此形成的相的熔点为415℃或676℃。然而，其无细孔的构造除了在焊接工艺期间的压紧力之外还与两个所需要的成分、焊接膏和粉末的十分均匀的混合结合。
在专利文献EP 1337376 B1中描述了用作焊接剂的焊接膏。所述焊接膏除了焊料材料还包含以金属覆盖的绝缘的核，所述核具有高的熔化温度。根据按照EP 1337376 B1的解决方案，焊料金属在焊接工艺期间完全地与核的金属化起反应并且基于扩散焊接工艺形成金属间的相，所述金属间的相然后包围高熔点的核。所产生的焊接缝具有整体上不均匀的结构，这不利地影响藉由所述解决方案得到的连接区域的热传导能力。
在WO 96/19314中在前描述了粉末混合物，在所述粉末混合物中，焊料金属由高和低熔点的金属成分构成，其颗粒的或薄板形的填充成分作为附加物被混合。金属粉末或还有金属粒在制造中一般是很贵的并且此外，在尺寸上具有大的分散宽度，从而此外必须中间连接有分级工艺，此外，金属粉末的均匀的混匀不是没有问题的并且因此是很消耗的。那么根据WO 96/19314，粉末混合物本身应该优选地作为具有液态的有机的溶剂的悬浮或作为膏使用。在此，就此而言得到应用的填充成分具有如下任务，即将在扩散焊接期间构造的金属间的相的厚度限制到几μm。所以所述填充成分必须根据湿润性设有相应的、促进或制止连结的覆盖层，并且十分均匀地与金属成分混合。在特殊的实施方式/特殊结构形式中，根据WO 96/19314，上面所述的由粉末构成的焊料金属还能够被压成薄膜，然后从所述薄膜中冲压出焊料成型部件，所述焊料成型部件被放在待连接的物体之间。具有所使用的粉末的均匀的分布的这样的薄膜的制造，也就是说粉末冶金学是十分消耗的和成本高的，其中，在压入时，也就是说在粉末冶金学的方法中，不能够或仅仅很难能够（也就是说以高的成本消耗）达到理论的厚度。
这种根据WO 96/19314的解决方案的所有实施方式的缺点是，除了两个上面描述的金属成分之外，填充成分也是必要的，以便得到期望的金属间的相。此外，根据对于所述解决方案的描述，在所述解决方案中，高于30分钟的焊接工艺时间长度也是必要的，以便实现液态的焊料到金属间的相的完全的转化或备选地，后连接的退火过程是必要的。
为了更好的湿润表面，此外，在焊接过程中附加溶剂被认为是有利的。然而，所述溶剂在工作安全性和健康保护方面具有如下缺点，即根据在WO 96/19314中的描述产生有机的酸，在关于焊接工艺的后续过程中必须强制地在附加的工作流程中去除所述有机的酸。
概括地，因此能够确定，目前在功率电子学中和用于其它的使用领域的成本适宜的无铅的软焊料仅仅能够覆盖至大约150℃的使用温度范围。对于经焊接的结构元件的高于150℃的使用温度范围，对于含金的焊料合金直到现在不存在如下技术上和经济上可代替的无铅的焊料备选方案，所述焊料备选方案也就是说在短的、即对于软焊接的典型的焊接时间之内，并且在没有附加的工艺参数、如例如附加的压紧力或附加的、随后的热处理的情况下将在功率电子学中要求的温度稳定性与必要的可靠性与可代替的经济性统一。
因此，就此而言存在必要性，即尽可能提供新的无铅的焊料作为焊接薄膜，从而那么所述新的无铅的焊料还能够以焊料成型部件的形式成本适宜地工艺地得到使用。
发明内容
因此，本发明任务是开发一种用于扩散焊接的经济上可代替的、环保的和健康上不让人顾虑的、无铅的焊接薄膜和一种用于其制造的方法，也就是说，在避免长的焊接时间的情况下，还在没有接着的热处理并且不在焊接期间施加压紧力的情况下，在同时避免构造细孔的情况下，所述焊接薄膜应该以对于软焊接典型的焊接型材将待焊接的结构部件的金属的/镀金属的表面层如下地与彼此连接，使得产生具有高于400℃的再熔化温度的高熔点的连接区域，其中此外，借助于待开发的无铅的焊接薄膜，甚至导电的带应该能够在连接区域中被覆层，从而在带的连接区域中，在焊接工艺之后形成的高熔点的连接区域的再熔化温度高于400℃，并且此外，对于特殊的应用，在特殊的结构形式中，无铅的焊接薄膜还应该设有合适的、得到的、热膨胀系数，以便承受通过焊接引入的、还在结构部件使用期间产生的热应力，并且此外，同时提高在焊接工艺之后产生的连接区域的机械的柔性。
根据本发明，所述任务通过用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜1和用于其制造的方法解决，借助于所述焊接薄膜，金属的结构部件2和/或镀金属的/以金属进行覆层的结构部件2，也就是说与金属的表面层3相邻的结构部件2能够与彼此连接，并且所述焊接薄膜的突出之处在于，所述无铅的焊接薄膜1如下地紧密地构建为焊料复合原料4，使得在软焊料基体5的无铅的软焊料环境中，将硬焊料成分的高熔点的金属成分7的颗粒6如下地分散地分布地布置，使得颗粒6中的每个完全地由无铅的软焊料8包围，以便在常用的软焊接工艺中促使软焊料基体5的软焊料8到金属间的相9的完全的转化，所述金属间的相具有高于400℃的熔化温度。
根据本发明的紧密的、作为固定的复合结构制造的、无铅的焊接薄膜1包含所有对于高熔点的金属间的相的构建的必要的材料，其中，对于高熔点的金属间的相的构建需要的材料的根据本发明的分布结合根据本发明的作为焊接薄膜1的紧密的实施方案促使在大约240℃的温度的情况下的无铅软焊接工艺中得到具有高于400℃的再熔化温度的高熔点的金属间的连接区域16的很快的并且无细孔的构造。
就此而言对于本发明重要的是，高熔点的金属成分7的在软焊料基体5中分散地分布的颗粒6沿薄膜厚度的方向具有3μm至20μm的厚度，其中，颗粒6在软焊料基体5中相对于彼此的间距为1μm至10μm，并且高熔点的金属成分7的颗粒中的每个全面地由无铅的软焊料8的1μm至10μm厚的层包裹。
借助于具有在软焊料基体5、即软焊料环境中布置的由硬焊料（硬焊料颗粒）构成颗粒6的根据本发明的无铅的紧密的焊接薄膜1结合其分散的分布并且在此同时借助于到软焊料基体5中的紧密地嵌入，在对于无铅软焊接典型的工艺领域中，在没有长的焊接时间的情况下，还在没有接着的热处理的情况下，并且在不施加压紧力的情况下促使扩散焊接，所述扩散焊接同时避免细孔的构造，并且待焊接的结构部件2的金属的/镀金属的表面层3如下地与彼此连接，使得在待接合的结构部件2之间产生以金属间的相9的形式的高熔点的连接区域16的连续的无细孔的层，其再熔化温度超过400℃。
在此典型的是，软焊料份额、软焊料基体5相比于高熔点的金属成分7的份额不比其在待构建的金属间的相9中必要的高。根据将由相应的初始材料形成的金属间的相9的化学计算的公式如下地算出高熔点的金属成分7的布置在焊料复合原料4中的颗粒6的按百分比的份额与包围颗粒6的无铅的软焊料基体5的软焊料8的按百分比的份额的比例，使得无铅的软焊料基体5的所有软焊料8总是转化为相应地待构建的金属间的相9。
由此，在软焊料基体5中的软焊料份额与高熔点的金属成分7的颗粒6的份额的比例取决于相应地待构造的金属间的相9的化学计算的公式。例如这是在应用具有50%Sn的Sn/Cu组合、即CuSn3和Cu6Sn5的情况下。
对于高于400℃的再熔化温度起决定性作用的是，整个的软焊料基体5总是被转化，否则在连接区域16中还具有拥有较低的熔化温度的区域，并且根据任务，这不是期望的。
在其它的组合的情况下，例如在应用具有43%Sn的Sn/Ni组合的情况下，Ni3Sn4构造为金属间的相。
而就此而言还能够确定，在焊接工艺之后，高熔点的金属成分的颗粒6还能够保留在连接区域16中，并且再熔化温度仍然保持高于400℃。
通过颗粒6的较高的份额，也就是说，借助于在焊接工艺之后作为例如由铜构成的小岛嵌入在金属间的相9中的高熔点的剩余金属具有如下可能性，即影响在焊接工艺之后得到的连接区域16的机械的、电的和导热的性质。
按照根据本发明的教义，因此仅仅起决定性作用的是，全部软焊料成分必须在焊接工艺中被消耗、被转化为金属间的相9，以便在焊接工艺之后保证高于400℃的再熔化温度。
例如在应用In/Ag组合的情况下，为了达到高于400℃的再熔化温度的要求很高的银份额。然而，因为本发明的任务是开发一种经济上可代替的、无铅的焊接薄膜用于扩散焊接，所述组合不会被更详细地包括到考虑内。
还重要的是，相应于连接区域16的工艺的框架条件/期望的性质，无铅的焊接薄膜1的总厚度为20μm至0.5mm。
此外典型的是，焊接薄膜1，焊料复合原料4具有相邻于待接合的结构部件2的金属的表面层3的外部的外周层10，其层厚度为从2μm至10μm，并且其由软焊料8构成。
所述由软焊料8构成的外周层10在焊接工艺期间用于完全地湿润相邻的结构部件2的待接合的表面/表面层3，并且藉由所述待接合的结构部件2的表面的金属化（例如Cu、Ni、Ni（P）、Ni（Ag））构造金属间的相9。
例如在大约240℃的焊接温度和在低于5min的焊接时间的情况下使用从30μm至250μm的厚度的焊接薄膜1的情况下，在没有每个接着的热处理的情况下，还在不在焊接期间施加压紧力的情况下，在同时避免细孔的构造的情况下，所述用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜1藉由对于无铅的软焊接典型的焊接型材实现待焊接的结构部件2的金属的/镀金属的表面层3如下地与彼此连接，使得产生以金属间的相9的形式的高熔点的连接区域16的连续的层，所述金属间的相具有高于400℃的再熔化温度。
对于本发明还重要的是，相应于特殊的技术的或还有工艺的要求，而还出于经济的原因，用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜1构建为多层焊接薄膜11，其中，多层焊接薄膜11的各个层交替地由上面所描述的焊料复合原料4并且由中间层23的高熔点的金属成分的2μm至100μm厚的层构成，其中，多层焊接薄膜11还又具有相邻于待接合的结构部件2的金属的表面层3的外部的外周层10，其层厚度为从2μm至10μm，并且其由软焊料8构成，并且多层焊接薄膜11的总厚度为从40μm至1.0mm。
借助于所述多层焊接薄膜11的特殊结构形式，无铅的焊接薄膜1还能够设有合适的、得到的热膨胀系数，以便承受通过焊接引入的、还在结构部件使用期间产生的热应力，并且此外，同时提高在焊接工艺之后产生的连接区域的机械的柔性。
还重要的是，用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜1不仅能够作为焊料复合原料4，而还能够作为以焊料成型部件12的结构形式的多层焊接薄膜11使用，以便在无铅软焊接工艺中在金属的表面/表面层3之间作为扩散焊料起作用并且将相邻的结构部件2如下地与彼此连接，使得再熔化温度高于400℃。
焊料成型部件12通过切割或冲裁或还通过冲裁弯曲工艺从焊接薄膜1中被带到期望的成型部件几何形状中并且由此，能够普遍地使用在很多常用的软焊接工艺中，所述软焊接工艺单独通过应用焊料复合原料4（复合材料）的分布的颗粒6用于扩散焊接工艺。通过这种方式，相对于传统地以软焊料焊接的结构部件，连接区域的再熔化温度被显著地提高。在使用锌软焊料成分和铜作为高熔点的金属成分的情况下，以由焊料复合原料4构成的焊料成型部件12焊接的结构元件2能够对于至400℃的使用温度范围得到使用，其中，在功率电子学中要求的性质的温度耐受性与必须的可靠性和经济性得到统一。
还典型的是，不仅在作为焊料复合原料4的实施方式中而且还在作为多层焊接薄膜11的实施方式中，在待接合的产品14中用作电导体的金属的导体带13在接合位置15处以无铅的焊接薄膜1部分地进行覆层，由此，在软焊接工艺之后，部分地覆层的导体带13将相邻的结构部件2如下地与彼此连接，使得在软焊接工艺之后在被覆层的导体带13和与其待连接的结构部件2之间产生连接区域16，其具有高于400℃的再熔化温度。
在此，根据本发明的用于扩散焊接而制造的无铅的焊接薄膜1在一侧通过部分的包层被施加到良好地导电的材料，如例如铜或铝上。然后能够由所述部分地包层的材料制造导体带13，所述导体带例如能够代替常用的结合线材应用于构建功率模块。
根据本发明地如随后描述的那样通过滚压包层制造根据本发明的用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜1。
相应于所设置的/所打算的按百分比的成分，软焊料和金属成分借助于滚压包层交替地接合成层复合，其中，在两侧以软焊料成分对金属成分进行包层。
包层如下地开始，使得所述成分的待使用的层厚度整体上如下地相比于彼此地存在，使得在后来的焊接工艺中，软焊料份额根据本发明地完全地装入到金属间的相中。
接着然后进行另外的滚压包层步骤，在所述步骤中相应地包层的材料与自己本身包层，从而在材料中的层的数量提高，然而其厚度同时减少。直至完成的根据本发明的焊料复合原料4的必须的包层步骤的数量取决于所选择的由软和硬焊料成分构成的原料组合和对于焊料成型部件的期望的总厚度。通过根据本发明的层复合的多次重复的包层，各个成分在固定的状态中的混匀如下地进行，使得通过撕开这两个成分中的一个的层将其断片分散在其它的、更软的成分中。
根据本发明如此地产生的具有根据本发明的小于或等于10μm的颗粒间距的结构保证根据本发明待得到的短的扩散路径，所述短的扩散路径在后来的无铅软焊接工艺中结合另外的、随后还进行阐释的根据本发明所制造的焊接薄膜的特征在短时间内使软焊料成分到金属间的相的完全的转化实现并且使紧密的、无细孔的高熔点的连接区域产生。
根据本发明得到的短的扩散路径结合另外的、随后还进行阐释的根据本发明的焊接薄膜的优点/特征甚至实现常用的软焊接型材的适用性连同对于所述软焊接型材独特的短的焊接时间。
在此，根据本发明地构造有由低熔点的软焊料成分和高熔点的金属成分/硬焊料成分构成的金属间的相9，其以相应于其化学计算的公式的质量份额被消耗。所述成分如下地选择，使得其金属间的相的熔点处于两个被使用的成分的熔点之间。
软焊料成分的熔化温度在应用锌作为基底时处于至240℃的范围中，而金属间的相9的熔化温度在应用铜作为高熔点的金属成分时处于高于400℃。
根据需求，通过多次变形工艺产生的焊料复合原料4还能够在另外的包层步骤中被施加到高熔点的金属的基底材料上，由此焊料复合原料4和金属的中间层23的层以特殊的期望的机械的性质交替并且由此构建多层焊接薄膜11，而其中，作为外部的外周层10的软焊料成分总是形成两个外部的层。
这样的多层焊接薄膜11能够然后例如藉由合适的、得到的热膨胀系数承受通过焊接引入的、还在结构部件使用期间产生的热应力。
在此，焊接薄膜1在作为焊料复合原料4的实施方式中的厚度总是能够通过这两个成分的初始厚度、包层步骤的数量和最后的滚压步骤调整焊接薄膜1或将由其制造的焊料成型部件12的精确的厚度。
焊接薄膜1在作为多层焊接薄膜11的实施方式中的厚度还能够通过金属的中间层以及具有焊料复合原料4的层的初始厚度、包层步骤的数量和最后的滚压步骤调整焊接薄膜1或将由其制造的焊料成型部件12的相应地期望的精确的尺寸。根据本发明，高熔点的金属成分/硬焊料成分以小于或等于10μm的颗粒间距分散在软焊料成分中。
根据本发明，根据本发明的无铅的焊接薄膜的外部的层如已经阐释的那样总是连续地由软焊料成分形成。
此外，通过根据本发明地在滚压包层工艺的框架中制造无铅的焊接薄膜还避免在带入颗粒到熔液中的情况下的缺点，所述缺点尤其存在于均匀的分布的得到中。虽然在搅拌的工艺中还能够保证均匀的分布，但在凝固时这不再是这种情况。
由此，在浇铸到最终形式时，不再能够保证颗粒的均匀的分布，也就是说，不再能够保证颗粒“漫游”去了哪里。
此外，还在带入颗粒例如到熔液中时，因为强制地必要的（高的）温度，部分的扩散已经开始。
在将颗粒带入到熔液中时出现的问题还通过根据本发明得到应用的滚压包层的工艺，快的、有效的并且工艺可靠地控制的方法来避免，所述方法在同样低的温度（也就是说，滚压包层涉及冷滚压方法，在所述冷滚压方法中不人工地加热滚子）的情况下进行，从而通过根据本发明的制造工艺本身能够排除材料的不希望的扩散。
为了后来地完全地将液态的焊料材料转化为金属间的相，在根据本发明的扩散焊接工艺的领域内，根据本发明地如上面描述的那样通过滚压包层工艺精确地控制单个层厚度，还有构造的颗粒的大小和分布。
在滚压包层的方式中，能够根据本发明地在待包层的配对件之间最优地建立材料配合的连接。
因此，根据本发明在软焊料的熔化之前已经产生了对于扩散工艺的理想的初始状态。
此外，根据本发明的材料复合结构通过滚压包层方法的制造相对地说十分成本适宜。
根据本发明，在滚压包层方法中，将不同的材料在工艺步骤中与彼此连接并且然后根据本发明，相应于相应地期望的应用，在各个成分的根据本发明的期望的体积和厚度方面，“调整”，也就是说，切小，在此“套盖”，并且此外，如随后阐释的那样，同时以能量供应。
根据本发明如此制造的焊料复合原料的优点尤其还在于，结合机械的能量的高的输入，在滚压包层的工作工艺期间，显著地改善如此制造的根据本发明的焊料复合原料的所有组成部分的结合能力，从而结合在此介绍的根据本发明的焊料的其它的特征，在扩散焊接工艺的框架内，在很短的、能够与传统的焊接工艺的焊接时间比较的焊接工艺时间之内，液态的焊料材料到金属间的相的完全的转化是可行的。
具体实施方式
随后现在应该关于实施例结合5个图更详细地阐释根据本发明的解决方案。
图1示出半导体功率开关的示意性的结构。
芯片/半导体模块21被焊接到导体轨道，也就是说，金属的表面层3上，所述金属的表面层由陶瓷构造的电绝缘的层（DCB），即陶瓷的基层20承载。所述陶瓷的基层的上侧与其它的、同样处于基层上的导体轨道/金属的表面层3连接，这一般在结合工艺中藉由薄的铝或铜线材/导体带13实现。陶瓷的基层20被焊接到底部板19上，所述底部板被装配在热凹槽/冷却体17上。所有待连接的表面/表面层3必须是金属的，连接区域16本身必须保证向热凹槽去的尽可能有效的热流。
随后应该结合用于构建在图1中示出的半导体功率开关的接合工艺、扩散焊接工艺更详细地阐释根据本发明的焊接薄膜1的使用。
在此，根据本发明的以作为焊料复合原料4的结构形式的无铅的焊接薄膜1一方面为了得到半导体模块21与导体带13的流联接，如另一方面还为了焊接半导体模块21到DCB、即陶瓷的基层20上作为焊料成型部件12而得到使用。
图2以剖切图示示出焊接薄膜1在作为焊料复合原料4的实施方式中在具有相同或不同类型的金属的表面/表面层3的接合配对件的待连接的金属的表面层3之间的布置。在焊料复合原料4中，由铜构成的颗粒6分散地在无铅的Sn软焊料基体5中分布，其中，在颗粒6之间的间距小于或等于10μm并且最上方和最下方的层，即外周层10相应地由软焊料8形成。
图3示意性地示出根据图2的在焊接工艺之后的布置。Sn软焊料8完全地转化为具有高于400℃的熔点的金属间的连接/金属间的相9，由Cu构成的高熔点的金属颗粒6的剩余物（剩余金属22）分散地分布地处于其中。由此保证整个的连接区域16在温度超过400℃的情况下才熔化并且此外，除了高的电的传导能力之外还保证十分良好的导热能力。
随后根据本发明的以作为多层焊接薄膜11的结构形式的无铅的焊接薄膜为了系统焊接，也就是说在此为了得到在DCB、即陶瓷的基层20与底部板19之间的焊料连接而得到使用。
图4以示意性的剖切图示示出在作为多层焊接薄膜11的可行的实施方式中，焊接薄膜1以焊料成型部件12的形式，在其位置中关于接合配对件，也就是说在待接合的结构部件的待连接的相同或不同类型的金属的表面层3之间的布置。
在所述多层焊接薄膜11中，在焊料复合原料4的三个层之间布置有高熔点的金属成分7如例如Cu的两个层、即中间层23。在焊料复合原料4中，Cu颗粒6分散地分布在无铅的Sn软焊料基体5中，其中，在颗粒6之间的间距小于或等于10μm，其中，多层焊接薄膜11的最上方和最下方的层，即外周层10又分别由软焊料8形成。
图5现在示意性地示出根据图4的在焊接工艺之后的布置。在由焊料复合原料4构成的材料层中，Sn软焊料8完全地转化为具有高于400℃的熔点的金属间的连接/金属间的相9，而高熔点的金属颗粒6 Cu的剩余物还分散地分布地处于其中。
通过金属间的相9连接地，由高熔点的金属成分7如例如Cu构成的中间层23的剩余金属22处于其之间，由此，整个的连接区域16在温度超过400℃时才熔化并且保证十分良好的导热能力，还保证其合适的产生的热的膨胀。
随后现在应该更详细地阐释用于制造在图3和5中示出的由根据本发明的无铅的焊接薄膜1构成的连接区域16的焊接工艺。
为了芯片焊接，焊接半导体模块21，如例如Si芯片、SiC芯片或具有DCB、即陶瓷的基层20的IGBT模块。在此，半导体模块21通常以Ni或Ni（Ag）进行覆层，DCB、即陶瓷的基层20以由Cu构成的表面层3并且经常还附加地以Ni进行覆层。直到现在，为了芯片焊接通常应用高含铅的焊料合金，因为其熔化温度为290℃至305℃并且由此提供的焊料连接由于在批量生产中通常的级焊接在用于在超过240℃的温度下的系统焊接的第二焊接工艺中应该不再熔化。在批量生产中，通常在第一级中执行芯片焊接，并且在第二级中进行以无铅的焊料的系统焊接。因为高含铅的焊料具有比无铅的焊料高的熔化温度，通过这种以所描述的顺序的级焊接避免芯片焊料连接在系统焊接期间熔化。
根据本发明，为了芯片焊接，应用由具有Sn软焊料基体5和分散地分布在其中的铜颗粒6的焊料复合原料4构成的焊料成型部件12，其中，焊料复合原料4具有相邻于待接合的结构部件2的金属的表面层3的由软焊料8构成的外部的外周层10，所述外部的外周层一方面贴靠在芯片/半导体模块21的金属的表面3处并且另一方面焊料复合原料4的金属的表面3处在DCB/陶瓷的基层20的金属的表面/表面层3处，也就是说，与其进入接触中。
相对于结合高含铅的焊料执行的芯片焊接方法，在使用根据本发明的解决方案时，显著地较低的工艺温度是可行的，从而在此，在无铅软焊接工艺中通常的至240℃的加热是足够的。
Sn软焊料8在大约220℃时熔化，液态的相与相邻的结构部件2的金属的表面/表面层3进行反应并且在2 min之内熔解如此多的分散的铜，使得液态的相完全地转化为固定的金属间的相9，也就是说，转化为CuSn3和Cu6Sn5。
由此产生无细孔的连接区域16，其熔化温度超过400℃。
为了系统焊接，将现在已经承载芯片/半导体模块21的DCB、即陶瓷的基层20与底部板19进行焊接。在此，底部板19通常以由Cu、Ni、Ni（P）或Ni（Ag）构成的表面层3进行覆层，DCB/陶瓷的基层20以由Cu、Ni、Ni（P）或Ni（Ag）构成的表面层3进行覆层。
根据本发明，为了系统焊接，在无铅软焊接工艺中加工由多层焊接薄膜11构成的焊料成型部件12。多层焊接薄膜11的使用提供了通过多层焊接薄膜11的层结构来提高在焊接工艺之后产生的连接区域16的机械的柔性的可能性。在当前的实施例中，焊料成型部件12由具有Sn软焊料基体5和分散地分布在所述Sn软焊料基体5中的铜金属成分7的颗粒6的焊料复合原料4的层构成，其中，所述层与高熔点的金属成分7如例如铜的层交替，焊料复合原料4的外部的层，即外周层10仅仅由Sn软焊料8构成。所述焊料复合原料4的外部的层与基层20的金属的表面/表面层3和底部板19、也就是说结构部件2进入接触中。
Sn软焊料8在大概220℃时又熔化。现在液态的外周层10藉由基层20和底部板19的金属化形成金属间的相9 CuSn3和Cu6Sn5。
在多层焊接薄膜11之内，现在同样液态的软焊料8同时在2 min之内熔解如此多的分散的铜（金属成分7的颗粒6），使得其完全地转化为固定的金属间的相CuSn3和Cu6Sn5。此外，在边界面处藉由高熔点的金属成分7的中间层23形成相同的相。由此，在最初布置的多层焊接薄膜11的区域中在焊接工艺之后产生无细孔的连接区域16，其熔化温度高于400℃，并且其有条件地通过保留的金属的剩余层22具有合适的产生的热的膨胀系数。
在现有技术中，芯片上侧通常在超声焊接工艺中通过精细的铝或铜线材与在基层上的导体轨道连接（结合）。能够借助于根据本发明的焊接薄膜同样通过扩散焊接工艺替换所述接合方法，所述扩散焊接工艺类似于前面提及的焊接工艺进行。
根据本发明，为了接触芯片，应用由电的导体如铝或铜构成的导体带13，之前焊料复合原料4如下地被施加到所述导体带的两个待接合的联接面上，从而其外部的、由Sn软焊料8构成的层一方面接触芯片/半导体模块21的金属的表面层3并且接触DCB/基层的金属的表面层3。在加热到无铅软焊接工艺的相应的温度时，焊料复合原料4的软焊料8熔化。
在焊料复合原料4的内部，现在液态的软焊料8在2 min之内熔解如此多的分散的铜（金属成分7的颗粒6），使得其完全地转化为固定的金属间的相CuSn3和Cu6Sn5。在边界面处为了芯片上侧和基层的金属化（金属的表面层3）同样形成金属间的相CuSn3和Cu6Sn5。由此，在此还产生在芯片和系统焊接中相应的连接区域16。
附图标记列表
1 焊接薄膜
2 结构部件
3 表面层
4 焊料复合原料
5 软焊料基体
6 颗粒
7 金属成分
8 软焊料
9 金属间的相
10 外周层
11 多层焊接薄膜
12 焊料成型部件
13 导体带
14 产品
15 接合位置
16 连接区域
17 冷却体
18 热的接口材料
19 底部板
20 陶瓷的基层（DCB）
21 半导体模块（芯片）
22 剩余金属（高熔点）
23 中间层（高熔点）。

Claims (6)

1. 用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜（1），以便将金属的结构部件（2）和/或金属化的/以金属进行覆层的结构部件（2）、也就是说相邻的结构部件（2）的金属的表面层（3）与彼此连接，其特征在于，
-所述无铅的焊接薄膜（1）由焊料复合原料（4）如下地紧密地构建，使得在所述焊料复合原料中，在软焊料基体（5）的无铅的软焊料环境中，硬焊料成分的高熔点的金属成分（7）的颗粒（6）如下地分散地分布地布置，使得所述颗粒（6）中的每个完全地由无铅的软焊料（8）包围，以便在常用的软焊接工艺中促使所述软焊料基体（5）的软焊料（8）到金属间的相（9）的完全的转化，所述金属间的相具有高于400℃的熔化温度，并且
-所述高熔点的金属成分（7）的在所述软焊料基体（5）中分散地分布的颗粒（6）沿所述薄膜厚度的方向具有从3μm至20μm的厚度，其中，所述颗粒（6）在所述软焊料基体（5）中相对于彼此的间距为1μm至10μm，并且所述高熔点的金属成分（7）的颗粒（6）中的每个全面地由所述无铅的软焊料（8）的1μm至10μm厚的层包裹，并且
-所述软焊料份额，所述软焊料基体（5）相比于高熔点的金属成分（7）的份额不比在待构建的金属间的相（9）中必要的高，其中，所述高熔点的金属成分（7）的布置在所述焊料复合原料（4）中的颗粒（6）的按百分比的份额与包围所述颗粒（6）的无铅的软焊料基体（5）的软焊料（8）的按百分比的份额的比例根据将从相应的初始材料形成的金属间的相（9）的化学计算的公式如下地算出，使得所述无铅的软焊料基体（5）的所有软焊料（8）总是转化为相应地待构建的金属间的相（9），并且
-所述无铅的焊接薄膜（1）的总厚度为20μm至0.5mm，并且
-所述焊接薄膜（1），所述焊料复合原料（4）具有相邻于所述待接合的结构部件（2）的金属的表面层（3）的外部的外周层（10），所述外部的外周层的层厚度为从2μm至10μm并且其由软焊料（8）构成。
2. 用于制造用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜（1）的方法，以便将金属的结构部件（2）和/或金属化的/以金属进行覆层的结构部件（2）、也就是说相邻的结构部件（2）的金属的表面层（3）与彼此连接，其特征在于，
-为了制造包含在所述焊接薄膜（1）中的焊料复合原料（4）使用滚压包层方法，其中，为了制造所述焊料复合原料（4）首先相应于设置的/打算的按百分比的成分，将软焊料和金属成分交替地如下地接合成层复合，使得所述金属成分总是在两侧与所述软焊料成分进入连接中，当所述成分的待使用的层厚度整体上如下地相比于彼此地存在，使得在后来的焊接工艺中，所述软焊料份额完全地被装入到所述金属间的相中时，开始所述包层，并且
-藉由一次包层的层复合随后实施另外的滚压包层步骤，在所述另外的滚压包层步骤中，相应地包层的材料与自己本身包层，从而在所述材料中的层的数量提高，然而其厚度同时减少，并且
-所述滚压包层步骤的数量取决于所选择的由软和硬焊料成分构成的原料组合和对于所述焊料成型部件的期望的总厚度直至完成的焊料复合原料（4）多次地重复，并且
-在所述层复合的多次的包层的情况下，进行单个成分在固定的状态中的混匀，并且
在此，通过撕开这两个成分中的一个的层使其断片分散为其它的、更软的成分，从而通过所述滚压包层产生具有小于或等于10μm的颗粒间距的结构。
3. 根据权利要求1所述的用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜（1），其特征在于
-所述焊接薄膜（1）构建为多层焊接薄膜（11），并且
-所述多层焊接薄膜（11）的各个层交替地由在权利要求1中所描述的焊料复合原料（4）并且由中间层（23）的高熔点的金属成分（7）的2μm至100μm厚的层构成，并且
-所述多层焊接薄膜（11）具有相邻于待接合的结构部件（2）的金属的表面层（3）的外部的外周层（10），其层厚度为从2μm至10μm并且其由软焊料（8）构成，并且
-所述多层焊接薄膜（11）的总厚度为40μm至1.0mm。
4.根据权利要求3所述的用于制造用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜（1）的方法，其特征在于，所述焊接薄膜（1）还能够构建为多层焊接薄膜（11），其各个层借助于滚压包层与彼此连接，其中，所述多层焊接薄膜（11）的各个层交替地由在权利要求1和2中所描述的焊料复合原料（4）并且由中间层（23）的高熔点的金属成分（7）的层构成，其中，所述多层焊接薄膜（11）具有相邻于所述待接合的结构部件（2）的金属的表面层（3）的外部的外周层（10），所述外部的外周层由软焊料（8）构成。
5.根据权利要求1或3或5中任一项所述的用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜（1），其特征在于，所述无铅的焊接薄膜（1）在无铅软焊接工艺中用作焊料成型部件（12）并且在此，相邻的结构部件（2）如下地与彼此连接，使得所述连接区域（16）在所述焊接工艺之后具有高于400℃的再熔化温度。
6.根据权利要求1或3所述的用于扩散焊接的无铅的焊接薄膜（1），其特征在于，藉由所述无铅的焊接薄膜（1），在待接合的产品（14）中用作电的导体的金属的导体带（13）的接合位置（15）部分地被覆层，从而部分地在其接合位置（15）处被覆层的导体带（13）在无铅软焊接工艺之后将与所述导体带（13）待连接的结构部件（2）在所述接合位置（15）处如下地与彼此连接，使得所述连接区域（16）具有多于400℃的再熔化温度。
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