借助焊接連接來制造功率半導(dǎo)體器件的方法
【專利摘要】提出一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件具有金屬底板(2)和材料鎖合地借助于焊接連接與底板連接的基板，該方法在時(shí)間流程中具有以下步驟：提供底板和基板；在底板或基板的連接表面上設(shè)置改進(jìn)的金屬成型體，其中該改進(jìn)的金屬成型體具有一金屬成型體，其具有從表面引入的顆粒，其中該顆粒具有最小直徑，其相當(dāng)于后續(xù)焊接連接的厚度的80％-100％；將底板設(shè)置為對(duì)著基板，其中改進(jìn)的金屬成型體位于連接平面之間；以高于金屬成型體的熔化溫度的連接溫度給功率半導(dǎo)體器件加載溫度，其中金屬成型體熔化，顆粒完全進(jìn)入熔化的金屬成型體且并且產(chǎn)生焊接連接。
【專利說明】借助焊接連接來制造功率半導(dǎo)體器件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明描述了一種借助基板和底板之間的焊接連接來制造功率半導(dǎo)體器件的方法，以及一種用于制造在此使用的特殊改進(jìn)的金屬成型體的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]這樣的功率半導(dǎo)體器件能夠例如形成為具有基板和金屬底板的功率半導(dǎo)體模塊。這樣的功率半導(dǎo)體模塊例如從DE 10 2005 055 713 Al中已知。
[0003]這樣的功率半導(dǎo)體器件當(dāng)然也能夠形成為功率電子系統(tǒng)的子模塊，例如從DE 102010 043 446 Al中已知的。在這種情況下，底板能夠額外具有冷卻裝置且因此整體形成為冷卻體。
[0004]從現(xiàn)有技術(shù)中同樣已知的是，例如在公開文獻(xiàn)DEl 226 715中已經(jīng)公開的一樣，在兩個(gè)借助焊層相連的連接套件中在焊層中設(shè)置有間隔保持元件，從而保證焊層的最小厚度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在了解上述背景的情況下，本發(fā)明的任務(wù)是提出一種特別簡(jiǎn)單且高效的用于制造功率半導(dǎo)體器件(在基板和底板之間具有焊層，該焊層的厚度是受限制的且規(guī)定了最小厚度)的方法，以及一種用于制造在此使用的特殊改進(jìn)的金屬成型體的方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明通過具有權(quán)利要求1特征的方法、以及通過具有權(quán)利要求5特征的方法來解決該任務(wù)。在各個(gè)從屬權(quán)利要求中描述優(yōu)選的實(shí)施形式。
[0007]根據(jù)本發(fā)明用于制造半導(dǎo)體器件(具有金屬底板，并且具有材料鎖合地借助于焊層與底板連接的基板，該焊層的厚度是受限制的且規(guī)定了最小厚度)的方法具有以下步驟的時(shí)間流程:
[0008]A.提供底板和基板，其中兩者分別具有連接表面，該連接表面形成基板和底板之間的后續(xù)焊接連接的各個(gè)接觸表面；
[0009]B.在底板或基板的連接表面上設(shè)置改進(jìn)的金屬成型體，其中該改進(jìn)的金屬成型體具有一金屬成型體，其具有從表面引入的顆粒，其中該顆粒具有最小直徑，其相當(dāng)于后續(xù)焊接連接的厚度的80% -100% ;金屬成型體能夠以優(yōu)選的方式形成為薄焊板，即由用作焊料的金屬制成的平面體。
[0010]C.將底板設(shè)置為對(duì)著基板，其中改進(jìn)的金屬成型體位于連接平面之間；金屬成型體在此位于一個(gè)連接平面上，而另一連接平面與至少一些顆粒接觸。
[0011]D.以連接溫度(其優(yōu)選高于金屬成型體的熔化溫度最多100°C )來能功率半導(dǎo)體器件加載溫度，其中金屬成型體熔化，顆粒完全進(jìn)入熔化的金屬成型體中且從金屬成型體中產(chǎn)生具有焊層的焊接連接，該焊層的厚度是受限制的且規(guī)定了最小厚度，該焊層材料鎖合地緊貼在兩個(gè)連接平面上。優(yōu)選指位于10ym和600μπι之間厚焊層。但原則上該方法并不限于該范圍。同樣能夠通過該方法制造厚度為20 μ m-100 μ m或直到2_的焊層。
[0012]最小直徑在此應(yīng)理解為那些區(qū)段長(zhǎng)度，其具有所有延伸通過顆粒的重心的區(qū)段的區(qū)段長(zhǎng)度的最小值。最大的直徑以類似的方式來定義。
[0013]此外優(yōu)選地，基板具有多個(gè)導(dǎo)體電路，其中在步驟A)之前在基板的導(dǎo)體電路上設(shè)置有至少一個(gè)或至少一個(gè)功率半導(dǎo)體組件且在內(nèi)部借助于連接裝置(32)以電路配合的方式連接。此外還優(yōu)選地，設(shè)置功率半導(dǎo)體器件的連接元件且與基底和該至少一個(gè)半導(dǎo)體組件線路合理地連接。
[0014]有利地，基底的連接平面形成為基底的金屬層的一部分。
[0015]根據(jù)本發(fā)明用于制造上述改進(jìn)的金屬成型體(具有從表面引入的具有最小直徑的顆粒)的方法具有以下步驟的時(shí)間流程:
[0016]a)準(zhǔn)備金屬成型體；
[0017]b)在表面上放置顆粒；
[0018]c)將顆粒壓入表面中，從而使顆粒至少以其最小直徑的四分之一從表面進(jìn)入金屬成型體。在此有利地，顆粒至少以其最小直徑的一半、尤其以其最小直徑的60 %進(jìn)入金屬成型體。
[0019]此外有利地，顆粒具有球或變形球(最小直徑與最大直徑的比例為2:3，特別是4:5)的形狀?？蛇x地，顆粒也可以具有規(guī)則多邊形或不規(guī)則多邊形(最小直徑與最大直徑的比例為2:3，特別是4:5)的形狀。同樣有利地，共同使用顆粒的兩種構(gòu)造，其具有適應(yīng)于彼此的直徑。
[0020]特別優(yōu)選地,顆粒由金屬材料或陶瓷材料或金屬-陶瓷復(fù)合材料形成。當(dāng)然,在此也能夠同時(shí)使用不同的構(gòu)造。此外，顆粒能夠額外包括具有焊劑的表面涂層，從而特別地產(chǎn)生其表面的濕潤(rùn)性。
[0021]優(yōu)選地且通常是足夠地，金屬成型體的表面的至少2%、特別是至少10%由待壓入的或壓入的顆粒覆蓋。
[0022]在此及以下將“覆蓋”理解為顆粒垂直投射到表面上的平面。
[0023]有利地，顆粒借助于軋制方法或借助于線性壓制方法(其中優(yōu)選為垂直于表面的，即在法向矢量方向上延伸的壓力方向)從表面壓入金屬成型體。
[0024]特別地，在軋制方法中特別有利地，在方法步驟b)之前將凹處壓入金屬成型體的表面中，顆粒在壓入之前或壓入過程中位于其中凹處中。
[0025]特別地，在線性壓制方法中特別有利地，在表面上方設(shè)置有矩陣式導(dǎo)向器，且顆粒在步驟b)之前設(shè)置在該矩陣式導(dǎo)向器中。在此能夠規(guī)則或不規(guī)則地設(shè)置顆粒。
[0026]同樣優(yōu)選地，在壓入金屬成型體期間具有壓入溫度Te，其服從以下條件:80°C <TE< (TS-50°C )，其中Ts為金屬成型體的熔化溫度。
[0027]應(yīng)理解，能夠單獨(dú)或以任意組合來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，以得到改善。特別地，上述和以下特征不但可在給出的組合中、還可在其他組合中或單獨(dú)使用，而不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]從圖1至9中示意性示出的根據(jù)本發(fā)明的方法或該方法的一部分的實(shí)施例的以下描述中得出本發(fā)明的其他描述、有利細(xì)節(jié)和特征。
[0029]圖1示出借助于根據(jù)本發(fā)明的方法制造的功率半導(dǎo)體器件。
[0030]圖2至4示出用于根據(jù)方法步驟b)制造改進(jìn)的金屬成型體的方法的不同構(gòu)造。
[0031]圖5示出壓入的開端，即方法步驟c)的開端。
[0032]圖6和7示出用于根據(jù)方法步驟c)制造改進(jìn)的金屬成型體的方法的不同構(gòu)造。
[0033]圖8示出根據(jù)方法步驟c)的改進(jìn)的金屬成型體的俯視圖。
[0034]圖9示出變形或不規(guī)則顆粒的兩種變型方案。

【具體實(shí)施方式】
[0035]圖1示出借助于根據(jù)本發(fā)明的方法制造的功率半導(dǎo)體器件I。示出了原則上本領(lǐng)域中通常形成的基板3，其具有絕緣體4和設(shè)置在其上的各自彼此電絕緣的導(dǎo)體電路6，這些導(dǎo)體電路具有不同電位、特別是負(fù)載電位，但也可以具有輔助電位，特別是開關(guān)電位和測(cè)量電位。在此具體地示出三個(gè)具有負(fù)載電位的導(dǎo)體電路6，它們對(duì)于半橋拓?fù)涫堑湫偷摹?br> [0036]在兩個(gè)導(dǎo)體電路6上分別設(shè)置有功率開關(guān)30，其在本領(lǐng)域中通常形成為單開關(guān)、例如MOS-FET或具有反向連接的功率二極管的IGBT。功率開關(guān)30在本領(lǐng)域中通常優(yōu)選借助于材料鎖合的連接與導(dǎo)體電路6導(dǎo)電連接。
[0037]功率半導(dǎo)體器件I的內(nèi)部連接借助于由薄膜復(fù)合材料制成的連接裝置32形成，其具有交替導(dǎo)電和電絕緣的薄膜?？蛇x地，焊線連接是經(jīng)常使用的現(xiàn)有技術(shù)中。此外，在功率半導(dǎo)體組件30的邊緣區(qū)域上設(shè)置有絕緣物質(zhì)38。該絕緣物質(zhì)38同樣能夠額外地設(shè)置在導(dǎo)體電路6的中間空間中。
[0038]為了實(shí)現(xiàn)電連接，功率半導(dǎo)體器件I具有負(fù)載連接元件34和輔助連接元件36。該負(fù)載連接元件34例如完全形成為金屬的成型體，其憑借接觸腳與基板3的導(dǎo)體電路6材料鎖合地連接。輔助連接元件34，如柵極接口或傳感器接口，在此例如在本領(lǐng)域中通常形成為彈性觸點(diǎn)。
[0039]基板3在其面對(duì)導(dǎo)體電路6的側(cè)上具有金屬層5。本領(lǐng)域中常見的是，當(dāng)然并不受限的是，這樣的基板3例如形成為DCB (direct copper bonding)基板。該金屬層5具有表面，其至少逐面地形成基板3的連接表面50，該連接表面用來與底板2形成材料鎖合的連接(在此是焊接連接7)。
[0040]底板2自身在此在本領(lǐng)域中通常形成為銅板，當(dāng)然能夠具有如在圖1右邊部分示出的附加冷卻元件22，且因此明確地用作冷卻體。底板2具有朝向基板3的表面，其至少逐段地形成底板2的連接表面20，該連接表面用來與底板3形成材料鎖合的連接(在此是焊接連接7)。
[0041]在基板3和底板2之間的焊接連接7借助于厚度受限且在此最少約為300 μ m的焊層形成。在該焊層7中以本領(lǐng)域常用的方式設(shè)置有具有約280 μ m的最小直徑的顆粒8。借助于顆粒8確保焊層7具有至少該厚度。在實(shí)際實(shí)施中，如果顆粒8在技術(shù)可行性的范圍中為球形，則焊層7始終構(gòu)造得略厚于顆粒8的最小直徑。
[0042]在制造功率半導(dǎo)體器件I的范疇內(nèi)，在底板2的連接平面20上設(shè)置由本領(lǐng)域常用的焊料制成的經(jīng)改進(jìn)的金屬成型體700 (參見圖6至8)。此時(shí)在該改進(jìn)的金屬成型體700中設(shè)置顆粒8，該顆粒從其背向底板2的連接平面20的表面72壓入金屬成型體70中。在此為球形的顆粒8、80在金屬成型體70中壓入約其直徑的一半，即其直徑的另一半還凸出于金屬成型體70的表面72。
[0043]接著在該從表面72凸出的顆粒8上設(shè)置基板3。在另一方法步驟中，給功率半導(dǎo)體器件I的組件施加連接溫度，借此金屬成型體70熔化。顆粒8陷入熔化的金屬成型體70中。在此有利的是，以適當(dāng)?shù)膲毫⒒?壓向基板2上。熔化的金屬成型體70在其冷卻之后形成基板3和底板2之間的焊層7，其中顆粒8用作間隔保持元件，用于焊層7的受限的最小的厚度。
[0044]顯然，接在所述方法后的還能夠具有另一步驟，即設(shè)置未示出的殼體。以此方式能夠制造已知類型的功率半導(dǎo)體模塊。
[0045]同樣，該功率半導(dǎo)體器件能夠例如與其他相同的功率半導(dǎo)體器件組合成復(fù)雜的功率電子系統(tǒng)。
[0046]圖2至9在不同構(gòu)造中示出用于制造改進(jìn)的金屬成型體700的不同方法步驟，該金屬成型體具有從表面72引入的顆粒8。顆粒8能夠由金屬材料或陶瓷材料或金屬-陶瓷復(fù)合材料形成。也能夠共同使用不同形成的顆粒8。為此一些或所有顆粒8能夠包括表面涂層，該涂層具有本領(lǐng)域常用的、在正常情況下為固體或糊狀的焊劑。
[0047]圖2至4示出用于根據(jù)方法步驟b)制造改進(jìn)的金屬成型體700的方法的不同構(gòu)造。分別示出具有表面72的金屬成型體70的截面，顆粒8從表面壓入其中。通常是足夠地，如果在金屬成型體70的表面72上取平均值，則金屬成型體70的表面72的2% -5%由待壓入的顆粒覆蓋。如果顆粒8應(yīng)該特別地也應(yīng)用于導(dǎo)熱，則表面72的至少10%有利地能夠由顆粒8來覆蓋。
[0048]圖2示出球形顆粒80，其設(shè)置在矩陣式導(dǎo)向器9中。該矩陣式導(dǎo)向器9形成為篩狀體，其中顆粒8位于篩的開口中。因此能夠在金屬成型體70的表面72上產(chǎn)生顆粒8的規(guī)則分布。
[0049]圖3再次示出球形顆粒80a/b，其設(shè)置在金屬成型體70的表面72的凹處720中。能夠通過不規(guī)則的壓模同時(shí)產(chǎn)生不規(guī)則分布的凹處720。
[0050]圖4示出金屬成型體70的表面72上的不同的多邊形顆粒a/b。當(dāng)使用多邊形顆粒80a/b時(shí)，表面72優(yōu)選設(shè)置有凹處720，因?yàn)榻璐嗣黠@能夠輕易獲得顆粒8的期望定位。
[0051]圖5示出顆粒8從其表面72壓入金屬成型體70的開端，即方法步驟c)的開端。示出的顆粒8在此不應(yīng)限制一般性。在該壓入的構(gòu)造中使用線性壓制方法。為此壓模在金屬成型體70的表面72的法線矢量方向(通過箭頭P表示)作用于顆粒8且將其從表面72起壓入金屬成型體70中。
[0052]已被證明為有利的是，在壓入過程中將金屬成型體70升溫到壓入溫度TE，因?yàn)榻璐舜┘拥膲毫δ軌蚋?。?yōu)選的壓入溫度Te對(duì)于本領(lǐng)域常用的金屬成型體70 (即焊料)來說在150°C至200°C的范圍內(nèi)。通常壓入溫度1應(yīng)當(dāng)滿足以下條件:80°C <TE< (TS-50°C )，其中Ts為金屬成型體70的熔化溫度。
[0053]圖6和7示出用于根據(jù)方法步驟c)制造改進(jìn)的金屬成型體700的方法的不同構(gòu)造。在此顆粒8 (在圖6中為球形且在圖7中為多邊形)將其最小直徑的50%至60%壓入金屬成型體70中。壓入深度的更高精確度不是必需的。60%至75%的壓入深度通常能夠特別是在制造半導(dǎo)體器件時(shí)改善改進(jìn)的金屬成型體700的操作特性。
[0054]圖8示出根據(jù)方法步驟c)的改進(jìn)的金屬成型體700的表面72上的俯視圖。顆粒8、82在此不規(guī)則地分布。通常顆粒8的數(shù)量應(yīng)當(dāng)在適當(dāng)選擇的表面72的部分表面上并不強(qiáng)烈地波動(dòng)。通常必須專用地、優(yōu)選根據(jù)經(jīng)驗(yàn)地確定每部分表面中的具體的微粒密度。
[0055]圖9示出變形的或不規(guī)則顆粒的兩種變型方案。左邊示出變形的球形式的顆粒80b，右邊示出不規(guī)則多邊形形式的顆粒82b。在此分別優(yōu)選地，最小直徑810與最大直徑800的比例為2:3，甚至優(yōu)選為4:5。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造半導(dǎo)體器件(I)的方法，該半導(dǎo)體器件具有金屬底板(2)和材料鎖合地借助于焊接連接(7)與底板連接的基板(3)，該方法時(shí)序地包括以下步驟: A.提供底板(2)和基板(3)，其中兩者分別具有連接表面(20、40)，這些連接表面形成基板(3)和底板(2)之間的后續(xù)焊接連接(7)的各個(gè)接觸表面； B.在底板(2)或基板(3)的連接表面(20、40)上設(shè)置改進(jìn)的金屬成型體(700)，其中該改進(jìn)的金屬成型體(700)具有一金屬成型體(70)，其具有從表面(72)引入的顆粒(8)，其中該顆粒(8)具有最小直徑，其相當(dāng)于后續(xù)焊接連接的厚度的80%-100% ； C.將底板(2)設(shè)置為對(duì)著基板(3)，其中改進(jìn)的金屬成型體(700)位于連接平面(20、40)之間； D.以高于金屬成型體(70)的熔化溫度的連接溫度來給功率半導(dǎo)體器件(I)加載溫度，其中金屬成型體(70)熔化，顆粒(8)完全進(jìn)入熔化的金屬成型體(70)中且從改進(jìn)的金屬成型體(700)中產(chǎn)生具有焊層的焊接連接(7)，該焊層的厚度是受限制的且規(guī)定了最小厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中基板(3)具有多個(gè)導(dǎo)體電路(6)且其中在步驟A)之前在基板(3)的導(dǎo)體電路(6)上設(shè)置有功率半導(dǎo)體組件(30)且在內(nèi)部借助于連接裝置(32)以電路配合的方式連接且其中還設(shè)置有半導(dǎo)體功率器件(I)的連接元件(34、36)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中基板(3)的連接表面(40)形成為該基板(3)的金屬層(4)的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中連接溫度超過金屬成型體(70)的熔化溫度最多 100。。。
5.一種用于制造改進(jìn)的金屬成型體(700)的方法，該改進(jìn)的金屬成型體具有從表面(72)引入的具有最小直徑的顆粒(8)，該方法時(shí)序地包括以下步驟: a)提供金屬成型體(70)； b)在表面(72)上放置顆粒(8)； c)將顆粒(8)壓入表面(72)中，從而使顆粒至少以其最小直徑的四分之一從表面(72)進(jìn)入金屬成型體(70)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中顆粒(8)至少以其最小直徑的一半、尤其以其最小直徑的60%進(jìn)入金屬成型體(70)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中顆粒(8)具有球形(80a)或變形球形(80b)的形狀，其最小直徑(810)與最大直徑(800)的比例為2:3，特別是4:5。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中顆粒(8)具有規(guī)則多邊形(82)或不規(guī)則多邊形(82b)的形狀，其最小直徑(810)與最大直徑(800)的比例為2:3，特別是4:5。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中顆粒(8)由金屬材料或陶瓷材料或金屬-陶瓷復(fù)合材料形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中顆粒(8)包括具有焊劑的表面涂層。
11.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中改進(jìn)的金屬成型體(700)的表面(72)的至少2%、特別是至少10%由壓入的顆粒(8)覆蓋。
12.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中顆粒(8)借助于軋制方法或借助于線性壓制方法從表面(72)壓入金屬成型體(70)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在方法步驟b)之前將凹處(720)壓入金屬成型體(70)的表面(72)，顆粒(8)在壓入之前或壓入過程中位于凹處中。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在表面(72)上方設(shè)置有矩陣式引導(dǎo)器(9)，且在方法步驟b)中將顆粒(8)設(shè)置在該矩陣式引導(dǎo)器(9)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中在壓入金屬成型體(70)期間具有壓入溫度Te，其符合以下條件:80°C <TE< (TS-50°C )，其中Ts為金屬成型體(70)的熔化溫度。
【文檔編號(hào)】H01L21/60GK104517866SQ201410493411
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
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