專利名稱：含燒結(jié)接頭的模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
電力電子模塊是用于電力電子電路的半導(dǎo)體封裝。電力電子才莫 塊典型地用于車載和工業(yè)應(yīng)用中，例如在逆變器和整流器中。包含 于電力電子才莫塊內(nèi)的半導(dǎo)體組件典型地是絕續(xù)^冊雙4及型晶體管
(IGBT )半導(dǎo)體芯片或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET ) 半導(dǎo)體芯片。IGBT和MOSFET半導(dǎo)體芯片具有變化的電壓額定Y直 和電流額定值。 一 些電力電子模塊也包含半導(dǎo)體封裝中的附加半導(dǎo) 體二極管(即，續(xù)流二極管)，用于過電壓保護。
背景技術(shù)：
一4殳而言，采用兩種不同的電力電子沖莫塊i殳計。 一種"i殳計用于 高電力(或者iJi高功率)應(yīng)用，另一種i殳計用于4氐電力(或者i^氐 功率)應(yīng)用。對于高電力應(yīng)用，電力電子模塊典型地包括集成在單 個基板上的幾個半導(dǎo)體芯片?；宓湫偷匕ń^緣陶瓷基板(例如 A1203、 A1N、 Si3lSU或其它合適的材料)，以使電力電子才莫塊絕緣。 將至少陶資基板的頂面用純的或鍍的Cu、 Al或其它合適的材料金 屬化，以便為半導(dǎo)體芯片提供電性和機械接觸。典型地，利用直接 銅鍵合(DCB)工藝、直接鋁鍵合(DAB)工藝或金屬活性釬焊 (AMB)工藝將金屬層與陶瓷基板結(jié)合。
典型地，使用含Sn-Pb、 Sn-Ag、 Sn-Ag-Cu或其它合適焊料合 金的軟焊料將半導(dǎo)體芯片連接至金屬化的陶瓷基板。典型地，將幾 個基板結(jié)合在金屬底板上。在這種情況下，陶瓷基纟反的背面也用純的或鍍的Cu、 Al或其它合適的材料金屬化，以用于將基板連接至 金屬底板。為了將基板接合至金屬底板，典型地采用含Sn-Pb、 Sn-Ag、 Sn-Ag-Cu或其它合適焊料合金的軟焊料。
對于低電力(或者說低功率)應(yīng)用，典型地采用引線框架基板 (例如，純Cu基才反)代替陶覺基板。取決于具體應(yīng)用，引線框架 基板典型地鍍有Ni、Ag、Au和/或Pd。典型地，使用含Sn-Pb、Sn-Ag、
框架基板。
對于高溫應(yīng)用，焊4妄4妄頭的4氐熔點(Tm= 180°C-220°C)成 為電力電子模塊的臨界參數(shù)。在電力電子模塊的工作期間，半導(dǎo)體 芯片下面的區(qū)域暴露在高溫下。在這些區(qū)域中，半導(dǎo)體芯片內(nèi)散發(fā) 的熱量疊加至周圍空氣溫度。這導(dǎo)致了在電力電子模塊工作期間的 熱循環(huán)。典型地，考慮到熱循環(huán)可靠性，高于150°C時不能保證焊 接接頭的可靠功能。如果高于150。C,在幾個熱循環(huán)后在焊接區(qū)域 內(nèi)可能形成裂縫。這些裂縫能很容易延伸至整個焊接區(qū)域上并導(dǎo)致 電力電子模塊故障。
隨著日益增加的在惡劣環(huán)境(例如，汽車應(yīng)用)中4吏用電力電 子器件的需求以及當前的半導(dǎo)體芯片集成，外部散熱和內(nèi)部散熱不 斷增加。因此，對于能在達到并超過200。C的內(nèi)部和外部溫度下工 作的高溫電力電子模塊的需求日益增長。另外，為了降低高溫電力 電子模塊的成本，應(yīng)該避免用貴金屬表面將半導(dǎo)體芯片連接至基板 以及用貴金屬表面將基板連接至金屬底板。
由于這些原因以及其它原因，所以需要才是出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的 一 個實施例提供了制造模塊的方法。該方法包括將包
含金屬顆粒、溶劑和燒結(jié)抑制劑的膏體(paste)施加于晶粒(或者 稱為芯片die)和金屬層中的其中之一上。該方法包括4吏膏體中的 溶劑蒸發(fā)并將晶粒和金屬層中的該其中之一放置于晶粒和金屬層 中的另一個上，使得膏體與晶粒和金屬層接觸。該方法包括對晶粒 和金屬層中的該其中 一個施加力并使燒結(jié)抑制劑分解以形成將晶 粒接合至金屬層的燒結(jié)接頭。


本文包含了附圖以提供對本發(fā)明的進一步理解，這些附圖結(jié)合 在本i兌明書中并構(gòu)成了本i兌明書的一部分。附圖示出了實施例并和 該說明 一起用于闡述這些實施例的原理。通過參考下面的詳細說明 而對本發(fā)明實施例的更好理解，可以很容易理解本發(fā)明的其它實施 例以及本發(fā)明實施例的許多預(yù)期優(yōu)點。這些附圖中的元4牛并不必然 彼此成比例。相同的參考數(shù)字指的是相同部件。
圖1示出了才莫塊的一個實施例的截面圖2示出了模塊的另一個實施例的截面圖3示出了半導(dǎo)體芯片和金屬膏體的一個實施例的截面圖4示出了干燥金屬膏體后半導(dǎo)體芯片和金屬膏體的一個實施 例的截面圖5示出了將半導(dǎo)體芯片放置在基4反上的一個實施例的截面
圖；圖6示出了將半導(dǎo)體芯片鍵合至基^^的一個實施例的截面圖7示出了模塊的另一個實施例的截面圖。
具體實施例方式
在下面的詳細描述中，參考構(gòu)成本i兌明書一部分的附圖，這些 附圖中示出了實施本發(fā)明的具體實施例。在這方面，諸如"頂"、"底"、 "前"、"后"、"前導(dǎo)"、"尾隨"等方向性術(shù)語參考所描述的附圖的方 向4吏用。由于本發(fā)明實施例的組件可以i殳置成i午多不同方4立，所以 這些方向性術(shù)語僅用于說明，而沒有任何限制的意思。應(yīng)該理解的 是，在不背離本發(fā)明的范圍的條件下，可以使用其它實施例，并且 可以進行結(jié)構(gòu)或邏輯改變。所以，下列詳細描述不應(yīng)該被理解為限 制性的意思，并且本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求限定。
應(yīng)該理解的是，如果沒有特別注釋，這里描述的不同示例性實 施例的特征可以卩波此結(jié)合。
圖1示出了模塊100的一個實施例的截面圖。在一個實施例中， 模塊100是高溫(即，達到并超過200。C)低電力電子模塊。電力 電子模塊100包括引線框架基板102、燒結(jié)接頭104、半導(dǎo)體芯片 或晶粒106、鍵合線108、引線112和外殼110。引線框架基板102 包含Cu、 Al或其它合適的材料。在一個實施例中，引線框架基板 102鍍有Ni、 Ag、 Au和/或Pd。在一個實施例中，燒結(jié)接頭104將 引線框架基板102直接連接至半導(dǎo)體芯片106,而無需在引線框架 基板102和半導(dǎo)體芯片106之間使用貴金屬層。與典型的高溫電力 電子模塊相比，由于不使用貴金屬層，因而降低了電力電子模塊100 的成*。如這里所^使用的，術(shù)語"電連4^，，不意p未著元4牛必須直4妄相連在 一起并且在"電連4妾"的元件之間可以設(shè)置中間元件。
半導(dǎo)體芯片106通過鍵合線108與引線112電連接。4建合線108 包含Al、 Cu、 Al-Mg、 Au或其它合適才才泮牛。在一個實施例中，鍵: 合線108( bond wire )通過超聲引線鍵合方法鍵合至半導(dǎo)體芯片106 和引線112。在一個實施例中，引線框架基板102的厚度在125pm 到200pm的范圍內(nèi)。引線框架基板102通過低溫接合(LTJ )工藝 接合至半導(dǎo)體芯片106以提供燒結(jié)接頭104。燒結(jié)接頭104在不氧 化引線框架基板102表面的情況下形成。外殼110包括才莫制材料或 其它合適的材料。外殼110包圍了引線框架基板102、燒結(jié)接頭104、 半導(dǎo)體芯片106、 4建合線108和部分引線112。
圖2示出了才莫塊120的另一個實施例的截面圖。在一個實施例 中，模塊120是高溫(也就是說，達到并超過200。C)高電力電子 模塊。電力電子模塊120包括金屬底板124、燒結(jié)接頭126、包含 金屬表面或?qū)?28和132的金屬化陶瓷基板130、燒結(jié)接頭134、 半導(dǎo)體芯片136、鍵合線138、電路板140、控制接觸部142、電力 接觸部144、灌封(potting) 146和148，以及外殼150。
陶瓷基板130包含A1203、 A1N、 Si3N4或其它合適的材料。在 一個實施例中，每個陶瓷基4反130的厚度在0.2mm至2.0mm的范 圍內(nèi)。金屬層128和132包含Cu、 Al或其它合適的材料。在一個 實施例中，金屬層128和/或132鍍有Ni、 Ag、 Au和/或Pd。在一 個實施例中，每個金屬層128和/或132的厚度在O.lmm至0.6mm 的范圍內(nèi)。在一個實施例中，燒結(jié)接頭126將金屬層128直接接合 至金屬底玲反124,而無需在金屬層128和金屬底并反124之間^吏用貴 金屬層。在一個實施例中，燒結(jié)接頭134將金屬層132直接連接至 半導(dǎo)體芯片136,而無需在金屬層132和半導(dǎo)體芯片136之間4吏用貴金屬層。與典型高溫電力電子模塊相比，由于不使用貴金屬層，
因而降低了電力電子才莫塊120的成本。
半導(dǎo)體芯片136通過鍵合線138與金屬層132電連接。鍵合線 138包含Al、 Cu、 Al-Mg、 Au或其它合適的才才泮牛。在一個實施例中， 4建合線138通過超聲波線4建合法(ultrasonic wire bonding) 4建合至 半導(dǎo)體芯片136和金屬層132。金屬層132與電路板140和電力接 觸部144電連接。電路板140與控制接觸部142電連接。
外殼150包圍了燒結(jié)接頭126、包含金屬層128和132的金屬 化陶瓷基板130、燒結(jié)接頭134、半導(dǎo)體芯片136、鍵合線138、電 3各板140、控制4妄觸部142的一部分和電力4妄觸部144的一部分。 外殼150包括工程塑料或其它合適的材并牛。外殼150接合至金屬底 板124。在一個實施例中，使用單個金屬化陶瓷基板130，從而不 包括金屬底板124并且外殼150直接4妄合至單個金屬化陶瓷基板 130。
灌封材料146填充外殼150內(nèi)電^各板140下方圍繞燒結(jié)4妄頭 126、包含金屬層128和132的金屬化陶瓷基板130、燒結(jié)接頭134、 半導(dǎo)體芯片136和鍵合線138的區(qū)域。灌封材料148填充外殼150 內(nèi)電路板140上方圍繞控制4妄觸部142的一部分和電力沖妄觸部144 的一部分的區(qū)域。灌封材料146和148包括硅凝膠或其它合適的材 料。灌封材料146和148防止了介質(zhì)擊穿對電力電子模塊120的損 害。
下面的圖3-6示出了半導(dǎo)體芯片與包含金屬表面的基板之間 的低溫接合，例如，按照前面參考圖1所描述和示出的，半導(dǎo)體芯 片106與引線框架基板102的接合，或4安照前面參考圖2所描述和 示出的，半導(dǎo)體芯片136與金屬層132的接合。類似的工藝也可以用于金屬化基板與金屬底板之間的低溫接合，例如，按照前面參考
圖2所描述和示出的，金屬層128與金屬底板124的接合。
圖3示出了半導(dǎo)體芯片200和金屬膏體202的一個實施例的截 面圖。金屬膏體202施加于半導(dǎo)體芯片200的背面。在另一個實施 例中，在分離晶粒之前將金屬膏體202施加于晶圓。金屬膏體202 通過印刷、散布(dispensing)或其它合適的方法施加于半導(dǎo)體芯片 200。金屬膏體202包含粒度在納米范圍內(nèi)的金屬顆粒。這些金屬 顆粒包括Au、 Ag、 Cu或其它合適的金屬中的一種或多種。在一個 實施例中，金屬膏體202所包含的金屬顆粒中至少50%的顆^立具有 小于50nm的粒度分布。在另一個實施例中，金屬膏體202所包含 的金屬顆粒中至少95%的顆粒具有小于50nm的4立度分布。
金屬膏體202還包含一種或多種溶劑以控制金屬膏體和燒結(jié)抑 制劑的粘性，從而防止金屬顆粒在低溫燒結(jié)。選擇金屬膏體202的 溶劑以使其在25 。C到200 °C的溫度(Ts。lvent)范圍內(nèi)分解。選擇金 屬膏體202的溶劑還使得溶劑在不降解燒結(jié)抑制劑的情況下響應(yīng)溫 度和/或真空而變干。在一個實施例中，燒結(jié)抑制劑包括工業(yè)蠟或其 它合適的材料。選擇金屬膏體202的燒結(jié)抑制劑以使其在150。C到 400 。C的溫度(TinhibitOT)范圍內(nèi)分解。選擇燒結(jié)抑制劑以使其在高
于溶劑溫度的溫度時分解。通過最大化Ts。w加和Tinhibit。r之間的溫差，
最大化了工藝窗口 ( process window )。
圖4示出了在金屬膏體202變干之后半導(dǎo)體芯片200和金屬膏 體204的一個實施例的截面圖。金屬膏體202在25。C到200 。C的 溫度范圍內(nèi)變干和/或通過真空變干以提供干燥的金屬膏體204?；?于所用溶劑來選擇溫度和/或真空以確保溶劑的4軍發(fā)。選擇溫度<吏4尋 在溶劑揮發(fā)期間金屬顆粒的燒結(jié)被燒結(jié)抑制劑阻止。圖5示出了將半導(dǎo)體芯片200方文置在基斥反208上的一個實施例 的截面圖。將基板208沿212所指示的方向方文入索引隧道爐210。 基板208包括Au、 Ag、 Cu或其它合適的材料。P遂道爐210內(nèi)的氣 氛是非氧化性的。在一個實施例中，非氧化性氣氛包括N2、 N2-H2 (也就是說，合成氣體forming gas )、 H2、 HCOOH或其它合適的氣 體。非氧化性氣氛使基板208能夠包含非貴金屬表面。隧道爐210 將基板208加熱到150 °C到450 °C的溫度范圍內(nèi)。如214所指示的， 利用拾》文(pick-and-place )類方法將含金屬膏體204的半導(dǎo)體芯片 200放置在基板208上。
圖6示出了將半導(dǎo)體芯片200鍵合至基板208的一個實施例的 截面圖。對半導(dǎo)體芯片200施加如216所示的4建合力以將半導(dǎo)體芯 片200 4建合至加熱的基板208。在一個實施例中，4定合力在lMPa 至40MPa的范圍內(nèi)。在另一個實施例中，4定合力在lMPa至lOMPa 的范圍內(nèi)。鍵合力的施加時長在50ms至6000ms的范圍內(nèi)。鍵合力 提供了金屬顆粒與基板208和半導(dǎo)體芯片200之間的良好聚結(jié)。受 熱基板208快速分解燒結(jié)抑制劑以形成將半導(dǎo)體芯片200 4建合至基 才反208的*克纟吉4妄頭206。
圖7示出了模塊300的另一個實施例的截面圖。模塊300包括 基板302、燒結(jié)接頭304、半導(dǎo)體芯片或晶粒306、燒結(jié)接頭308和 金屬帶310。在一個實施例中，燒結(jié)接頭304將基板302直接連接 至半導(dǎo)體芯片306,而無需在基板302和半導(dǎo)體芯片306之間使用 貴金屬層。另外，燒結(jié)接頭308將半導(dǎo)體芯片306連接至金屬帶310， 而無需在半導(dǎo)體芯片306和金屬帶310之間使用貴金屬層。燒結(jié)孑妾 頭308提供了至半導(dǎo)體芯片306的正面連接。在其它實施例中，用 金屬板代替金屬帶310并且燒結(jié)接頭308將金屬板連接至半導(dǎo)體芯 片306。在一個實施例中，如前面參考圖3-6所描述和示出的，利用寸氐 溫接合工藝將半導(dǎo)體芯片306接合至基板302以^是供燒結(jié)接頭304。 還利用低溫接合工藝將金屬帶310連接至半導(dǎo)體芯片306以提供燒 結(jié)4妄頭308。在一個實施例中，利用如參考圖3-6所描述的類似工 藝將金屬帶310接合至半導(dǎo)體芯片306，只是在這種情況下金屬膏 體施加于金屬帶并且4妾合力也施加于金屬帶。
這些實施例提供了基板、金屬帶、和/或包含非貴金屬層的金屬 板與半導(dǎo)體芯片、金屬底板和/或其它合適的組件之間的低溫連接。 這些實施例提供了利用納米金屬膏體形成低溫燒結(jié)接頭的連續(xù)大 頭見才莫生產(chǎn)工藝。)曉結(jié)4妾頭利用才合》文類方法(pick-and-place-like )高 速形成。在燒結(jié)期間，待接合的金屬層表面在不4吏用貴金屬層的情 況下受到保護而不被氧化。這樣，所連4妄的組件比典型低溫接合組 件的生產(chǎn)成本低并且適合于達到并超過200 。C的高溫應(yīng)用。
雖然示出的實施例基本集中在電力電子模塊上，但這些實施例 適用于期望組件與基板之間低溫連接的任何電路。
盡管在此已經(jīng)示出并描述了具體實施例，但是本領(lǐng)域普通沖支術(shù) 人員應(yīng)該理解的是，在不背離本發(fā)明的范圍的條件下，各種可替換 的和/或等同的實施方式可以代替所示出和描述的具體實施例。本申 請旨在覆蓋本文所討論的具體實施例的任何修改或變形。所以，本 發(fā)明旨在僅由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種制造模塊的方法，所述方法包括將包括金屬顆粒、溶劑和燒結(jié)抑制劑的膏體施加于晶粒和金屬層中的其中之一上；使所述膏體中的所述溶劑蒸發(fā)；將所述晶粒和所述金屬層中的其中之一放置于所述晶粒和所述金屬層中的另一個上，使得所述膏體與所述晶粒和所述金屬層接觸；對所述晶粒和所述金屬層中的其中之一施加力；以及分解所述燒結(jié)抑制劑以形成將所述晶粒接合至所述金屬層的燒結(jié)接頭。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在150 。C至400 °C的溫度范圍內(nèi)，在非氧化性氣氛中加熱所述晶粒和所述金屬層中的所述另一個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加所述膏體包括將所述膏體施加于晶粒和非貴金屬層中的其中之一上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加所述力包括施加在lMPa至10MPa范圍內(nèi)的力。
5. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加所述力包4舌在50ms至6000ms范圍內(nèi)的持續(xù)時間上施力o所述力。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，蒸發(fā)所述溶劑包括將所述晶粒和所述金屬層中具有膏體的一個放置在真空中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，蒸發(fā)所述溶劑包括在25 °C至200 °C的溫度范圍內(nèi)加熱所述膏體。
8. 4艮據(jù)4又利要求1所述的方法，其中，分解所述燒結(jié)抑制劑包括在150 °C至400 °C的溫度范圍內(nèi)加熱所述膏體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加所述膏體包括施加包含有Au、 Ag和Cu顆招:中的一種顆粒的膏體。
10. 4艮據(jù)4又利要求1所述的方法，其中，施加所述膏體包括施加金屬顆粒分布中至少50%的顆粒小于50nm的膏體。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加所述膏體包括施加包含這才羊一種燒結(jié)抑制劑的膏體，所述燒結(jié)抑制劑包含工業(yè)蠟。
12. —種制造模塊的方法，所述方法包括將包含有金屬顆粒、溶劑和燒結(jié)抑制劑的膏體施加至半導(dǎo)體芯片；干燥所述膏體以使所述溶劑蒸發(fā)；在4 一氧化性氣氛中加熱包含金屬表面的基板；將所述半導(dǎo)體芯片放置在所加熱的金屬表面上，使得所述膏體與所加熱的金屬表面接觸；以及對所述半導(dǎo)體芯片施加力以形成將所述半導(dǎo)體芯片接合至所述金屬表面的燒結(jié)接頭。
13. 才艮據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，干燥所述膏體包括在真空中在25。C至200。C的溫度范圍內(nèi)加熱所述膏體。
14. 才艮據(jù);f又利要求12所述的方法，其中，加熱所述基板包括在150 。C至400 。C的溫度范圍內(nèi)力口^;戶斤述基々反。
15. 4艮據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，施加所述力包4舌施加在lMPa至10MPa范圍內(nèi)的力。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，施加所述力包括在50ms至6000ms范圍內(nèi)的持續(xù)時間上施加所述力。
17. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，施加所述膏體包括印刷所述膏體和散布所述膏體之一。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，施加所述膏體包4舌施力。包含有Au、 Ag和Cu顆4立中的一種顆并立的膏體。
19. 4艮據(jù)一又利要求12所述的方法，其中，施加所述膏體包括施加金屬顆粒分布中至少95%的顆沖立小于50nm的膏體。
20. 4艮據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，加熱所述基4反包4舌在索引隧道爐中加熱所述基4反。
21. —種模塊，包括非貴金屬層；半導(dǎo)體芯片；以及燒結(jié)接頭，將所述半導(dǎo)體芯片接合至所述金屬層，所述燒結(jié)接頭包括粒度分布中至少50%的顆粒小于50nm的燒結(jié)金屬顆粒。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的^f莫塊，其中，所述金屬顆粒包含Au、 Ag和Cu中的至少一種。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的模塊，其中，所述金屬層包含Cu。
24. —種才莫塊，包括金屬化陶瓷基板，包含非貴金屬表面；半導(dǎo)體芯片，包括功率半導(dǎo)體組件；以及燒結(jié)接頭，將所述半導(dǎo)體芯片接合至所述金屬表面，所述燒結(jié)接頭包括粒度分布中至少95%的顆粒小于50nm的燒結(jié)金屬顆粒。
25.—種電力電子模塊，包括基板，包括非貴金屬表面；半導(dǎo)體芯片，包括功率半導(dǎo)體組件；以及將所述半導(dǎo)體芯片低溫接合至所述金屬表面的裝置。
全文摘要
一種方法，包括將包含有金屬顆粒、溶劑和燒結(jié)抑制劑的膏體施加于晶粒和金屬層中的其中之一上。該方法包括使膏體中的溶劑蒸發(fā)并將晶粒和金屬層中的該其中之一放置在晶粒和金屬層中的另一個上，使得膏體與晶粒和金屬層接觸。該方法包括對晶粒和金屬層中的該其中之一施加力并且分解燒結(jié)抑制劑以形成將晶粒連接至金屬層的燒結(jié)接頭。
文檔編號H01L25/00GK101593709SQ20091020341
公開日2009年12月2日 申請日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者伊萬·尼基廷, 卡斯滕·古特 申請人:英飛凌科技股份有限公司