包括将半导体芯片键合至铜表面的烧结接合部的模块制造技术

本发明专利技术涉及一种模块，该模块包括衬底和半导体芯片，该衬底包括第一铜表面。模块包括将半导体芯片直接键合至第一铜表面的第一烧结接合部。

【技术实现步骤摘要】
包括将半导体芯片键合至铜表面的烧结接合部的模块 本申请是基于2009年2月16日提交的、申请号为200910009523.1、专利技术名称为“包括将半导体芯片键合至铜表面的烧结接合部的模块”的母案的分案申请。
本专利技术涉及半导体封装
。
技术介绍
功率电子模块是在功率电子电路中使用的半导体封装。典型地，功率电子模块可使用在车载和工业应用中(例如在反相器(inverters)和整流器中)。典型地，包括在功率电子模块内的半导体元件是绝缘栅双极晶体管(IGBT)半导体芯片，或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)半导体芯片。IGBT和MOSFET半导体芯片具有变化的电压和电流级。一些功率电子电路在半导体封装中还包括额外的半导体二极管(即储能二极管)，以用于过电压保护。一般来说，使用两种不同的功率电子模块设计。一种设计用于较高功率应用，另一种设计用于较低功率应用。对于较高功率应用，功率电子模块典型地包括集成在单个衬底上的数个半导体芯片。典型的，衬底包括绝缘陶瓷衬底(例如Al2O3, A1N，Si3N4或者其它合适的材料)以使功率电子模块绝缘。使用纯的或者电镀的Cu，Al或者其它合适的材料来至少使陶瓷衬底的顶侧金属化，以提供半导体芯片的电子和机械接触。典型地，使用直接覆铜(DCB(direct copper bonding))或者活性金属钎焊(active metal brazing(AMB))工艺来将金属层键合(bonding或者说接合)至陶瓷衬底上。典型地，使用Sn-Pb，Sn-Ag, Sn-Ag-Cu或者其它合适的焊料合金的软焊被用来将半导体芯片连接到金属化陶瓷衬底。典型的，将数个衬底键合至金属基板上。这样，陶瓷衬底的背侧也用纯的或者电镀的Cu，Al或者其它合适的材料来金属化以将衬底连接至金属基板。典型地，使用Sn-Pb，Sn-Ag，Sn-Ag-Cu或者其它合适的焊料合金的软焊可用来将衬底连接到金属基板。对于较低功率应用，典型地，使用引线框架衬底(例如，纯铜衬底)来取代陶瓷衬底。根据应用情况，引线框架衬底典型地镀上Ni，Ag，Au和/或Pd。典型地，使用Sn-Pb、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu或者其它合适的焊料合金的软焊被用来将半导体芯片连接至引线框架衬。对于高温应用，焊接接合部的低熔点(Tm = 1800C -220°C )成为功率电子模块的关键参数。在功率电子模块操作期间，半导体芯片下面的区域暴露于高温下。在这些区域中，环境温度中叠加了半导体芯片内部散发的热量。这导致了功率电子模块操作期间的热循环。典型地，对于热循环的可靠性，在150°C以上不能保证焊接接合部的可靠功能。在150°C以上，在几次热循环之后，焊料区域内部可能会形成裂纹。裂纹可能容易扩散至整个焊接区域并导致功率电子模块失效。随着对在恶劣环境(例如，汽车应用)中使用功率电子器件的需求的增长和半导体芯片集成度的持续发展，外部和内部散热继续增加。因此，对于能够在内部和外部温度达到和超过200°C时运行的高温功率电子模块的需求也不断增长。另外，为降低高温功率电子模块的成本，应该避免使用将半导体芯片连接至衬底的贵金属表面和将衬底连接至金属基板的贵金属表面。因为这些或者其它原因，所以需要本专利技术。
技术实现思路
一个实施例提供了一种模块。该模块包括衬底和半导体芯片，其中衬底包括第一铜表面。该模块包括第一烧结接合部(joint)，该第一烧结接合部将半导体芯片直接键合(bonding)至第一铜表面。【附图说明】附图被包括进来以提供对实施例的进一步理解，并且这些附图并入此说明书并构成其一部分。附图示出了实施例，并与描述一起用于解释实施例的原理。参考随后的详细说明可以更好地理解这些实施例，因而更好地认识到其它实施例和实施例的许多旨在实现的优点。图中的元件彼此并不必然成比例。同样的参考数字代表相应的类似部分。图1示出了模块的一个实施例的横截面视图。图2示出了模块的另一个实施例的横截面视图。图3示出了被加以掩膜的衬底的一个实施例的横截面视图。图4示出了被加以掩膜的衬底和键合膏或浆的一个实施例的横截面视图。图5示出了烧结后的被加以掩膜的衬底、烧结接合部和半导体芯片的一个实施例的横截面视图。图6示出了去除掩模后的被加以掩膜的衬底、烧结接合部和半导体芯片的一个实施例的横截面视图。图7示出了低温连接(LTJ)工具的一个实施例的横截面视图。【具体实施方式】在下面的详细说明中，参考构成本文一部分的附图，在图中示出了可以实施本专利技术的具体实施例。在这点上，例如“顶部”、“底部”、“前面”、“背面”、“首”、“尾”等方向性术语是参照所描述的图中的方位来使用。因为实施例的各部件能够被设置为多个不同的方位，所以方向性术语是用于说明的目的而绝非用于限制。需要理解，可以使用其它实施例，且在不背离本专利技术的范围的情况下可以进行结构或逻辑上的改变。因此，下面的详细说明不是为了限制，并且本专利技术的范围由附加权利要求来限定。需要理解，除非特别强调，否则本文描述的各示例性实施例的特征可以互相结合。图1示出了模块100的一个实施例的横截面视图。在一个实施例中，模块100是高温(即，达到和超过200°C )低功率电子模块。功率电子模块100包括引线框架衬底102、烧结接合部104、半导体芯片106、键合线108、引线112和壳体110。引线框架衬底102包括Cu或者其它合适的材料。烧结接合部104将Cu引线框架衬底102直接连接到半导体芯片106，而不在Cu引线框架衬底102和半导体芯片106之间使用贵金属层。由于不使用贵金属层，所以功率电子模块100的成本相比典型的高温功率电子模块要低。如本文中所使用的，术语“电连接”并不意味着这些元件必须直接连接在一起，并且在“电连接”的元件之间可以设置中间元件。半导体芯片106通过键合线108电连接到引线112。键合线108包括Al、Cu、Al_Mg、Au或者其它合适的材料。在一个实施例中，使用超声波引线键合法将键合线108键合至半导体芯片106和引线112。在一个实施例中，引线框架衬底102的厚度在125 μ m-200 μ m范围之内。使用低温连接(LTJ)工艺来提供烧结接合部104，从而将引线框架衬底102连接到半导体芯片106。在不氧化Cu引线框架衬底102的表面的情况下形成烧结接合部104。壳体110包括模制材料或其它合适的材料。壳体110包围了引线框架衬底102、烧结接合部104、半导体芯片106、键合线108和引线112的一部分。图2示出了模块120的另一个实施例的截面视图。在一个实施例中，模块120是高温(即，达到和超过200°C )高功率电子模块。功率电子模块120包括:金属基板124、烧结接合部126、包括金属表面或者层128和132的金属化陶瓷衬底130、烧结接合部134、半导体芯片136、键合线138、电路板140、控制触片142、电力触片144、填充物(potting) 146和148，以及壳体150。金属层128和132包括Cu或者其它合适的材料。烧结接合部126将Cu层128直接连接到金属基板124，而不在Cu层128和金属基板124之间使用贵金属。烧结接合部134将Cu层132直接连接到半导体芯片136，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块，包括：衬底，包括第一铜表面；半导体芯片；以及第一烧结接合部，将所述半导体芯片直接键合至所述第一铜表面。

【技术特征摘要】
2008.02.14 US 12/031,3771.一种模块,包括: 衬底，包括第一铜表面； 半导体芯片；以及 第一烧结接合部，将所述半导体芯片直接键合至所述第一铜表面。2.根据权利要求1所述的模块，其中，所述第一烧结接合部包括Ag、Au和Cu之一。3.根据权利要求1所述的模块,其中,所述衬底包括引线框架衬底。4.根据权利要求1所述的模块，其中，所述衬底包括陶瓷层和第二铜表面，并且 其中，所述第一铜表面是由键合至所述陶瓷层的第一侧的第一铜层提供，所述第二铜表面是由键合至所述陶瓷层的第二侧的第二铜层提供。5.根据权利要求4所述的模块，还包括: 基板；以及 第二烧结接合部，其将所述基板直接键合至所述第二铜表面。6.根据权利要求1所述的模块，其中，所述模块包括功率电子模块。7.—种制造模块的方法，所述方法包括以下步骤: 提供包括铜表面的衬底； 掩蔽所述铜表面的一部分； 将键合膏施加至所述铜表面的未掩蔽部分； 将芯片施加至所述键合膏；以及 烧结所述键合膏，以提供将所述芯片连接至所述铜表面的接合部。8.根据权利要求7所述的方法，其中，施加所述键合膏的步骤包括施加包含Ag、Au和Cu之一的键合膏。9.根据权利要求7所述的方法，其中，施加所述键合膏的步骤包括施加包含颗粒尺寸小于500nm的微粒的键合膏。10.根据权利要求7所述的方法，其中，施加所述键合膏的步骤包括施加包含颗粒尺寸在Inm到20微米范围之内的微粒的键合膏。11.根据权利要求7所述的方法，其中，施加所述键合膏的步骤包括施加在...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡斯滕·古特，伊万·尼基廷，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE