半导体设备子组件制造技术

本发明专利技术公开一种半导体设备子组件，包括：彼此之间横向间隔开的多个半导体单元；包括多个孔的半导体单元定位器，其中每一半导体单元位于半导体单元定位器的每一孔中；用于将压力施加到每一半导体单元上的多个压力构件；以及位于多个压力构件和半导体单元定位器之间的导电可延展层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体设备子组件
本专利技术涉及一种半导体设备子组件。
技术介绍
为了多芯片设备的最佳性能，必须满意以下要求：-每一芯片上和芯片之间的压力分布应当均匀；-被施加压力应当在预定操作范围内。在传统设计中，半导体芯片置于机械应变缓冲器(诸如钼或钨)之间以形成半导体单元。这些半导体单元然后被置于两个公共铜电极之间(见图9针对此的展示)。为了最佳性能，考虑到当前的处理能力和可靠性，包装内的芯片上的压力分布应当尽可能地均匀。这难以实现，因为铜电极上的半导体单元厚度或表面平坦度改变的微米级差异可能导致被施加压力在半导体芯片之间有很大的差异并且与预期目标压力同样有差异。部件(诸如终端用户的应用中的散热器)的平坦度和平行度也将对其有显著的影响。影响在多个设备被夹持在单一堆叠中以用于一系列操作的情况中，由于堆叠内的所有公差的加成效应。本专利技术人已认识到存在这样的应用，其中多达20个这样的设备被夹持在单一堆叠中(见下文中的现有技术1)。已知半导体芯片的性能在压力接触应用中受到被施加压力的等级影响，从而使得欠压或过压可能导致不佳的性能和不良的可靠性。除此之外，在传统设计内，可以被施加到的芯片上的压力不以任何方式收到限制，因此，它们在由终端用户施加的欠压或过压下都是脆弱的。第一种方法(在现有技术2中示出并且同样见图9)使用公差非常紧密的部件(通常匹配到在1μm之内)，以确保部件厚度尽可能地匹配并且为终端用户提供这样的夹持部件(诸如散热器和负载分散器)，所述夹持部件与用于传统的单芯片压力接触设备(诸如大面积的半导体闸流管)相比，对于多芯片压力接触设备具有严格得多的平坦度公差(例如，通常是10μm平坦度公差，而非30μm)(见现有技术3)。在大量部件的情况下，严格的部件公差范围变得难以管理，在大面积的多芯片压力接触设备中也是同样的情况。夹持部件的严格的平坦度公差在大的表面面积上同样变得更难实现，使得所述问题更加复杂。第二种方法是使用与外壳内的单个半导体单元平齐的单个盘簧堆叠，以便减小力/位移比。这样，对于给定的半导体单元厚度差异或给定的平坦度改变，接触压力的差异得以最小化。当盘簧是相对不良的导电体时，使用导电的金属旁通条带(纵向电流旁通)或冲压仿形金属板(横向电流旁通)。旁通条带从顶部延伸到盘簧的堆叠的底部。当盘簧压缩时，柔性旁通条带向外拱起。所述布置用在图1中示出的ABB的StakPak布置中。由于旁通条带的向外拱起，可以限制芯片的包装密度，继而限制成品设备的电流密度。冲压仿形金属板如图2中所示成形并且结合到如图3所示的成品设备中。所述成品设备在由国家电网公司持有的专利号CN103579165(现有技术4)中描述。如利用图1中的纵向电流旁通条带方法，由于板的成形，以及形成板所需的面积，芯片的包装密度收到限制，再次限制成品设备的电流密度。第三种方法是使用加压流体以给设备中的接触部件加压。这已经在HondaMotorCoLtd持有的专利JP2004158489(现有技术5)中描述。然而，这依赖于加压流体的可用性，这在混合动力车辆中是可行的，但是在通常的工业和传输以及分配应用中不太可行。所述方法在图4中示出。已知用于施加正确的被施加压力的两种方法。所述两种方法仅仅应用于前述的利用盘簧的设计中。第一种方法(如用在ABB的StakPak布置中)将设备外壳的硬质绝缘套筒用作行程-停止机构，这防止外部接触表面凹进超过预定平面(现有技术2)。芯片被分组成包括弹簧组件的子模块。在成品设备中使用4或6个子模块，每一者在组装之前各自进行测试。设备说明需要足够的负载(在所述文件中称为阈值负载)以利用套筒的顶部压缩外部接触表面等级。超出所述阈值负载，由套筒支撑任何多出的负载，并且施加在芯片上的负载然后取决于弹簧系统的负载/位移比，并且即使利用额外的负载也不再增大。一旦套筒开始承载机械负载，位移就被限定为弹簧堆叠的预负载高度和弹簧堆叠的负载高度之间的差。因此，所述机构不仅防止芯片的过压，而且防止所述芯片在正确使用时的欠压。在所述设计中，仅仅套筒在设备的外围支撑高出阈值负载的负载，没有机械支撑件设置在设备的中心中。CN103579165(现有技术4)中描述的第二种方法使用设备外壳内部的硬质绝缘支撑框架来充当行进停止机构。这以类似的方式而作用于前述的外周行进停止机构上。从给出的图中可以看到，高出阈值负载的负载被支撑在设备的中心以及在边缘处。为了测试或操作所述设计，整个设备必须被整体组装。作为子组件进行操作是不可能的。设计在图6中示出。对于在125mm压入式包装中使用紧密公差部件的压力分布的调查已经发现压力的均匀度非常差。涉及IXYSUKWestcode125mm包装的类似调查也可以发现具有不良的压力分布。实现均匀夹持的所述难度表示作为整体的设备的性能可能远远欠佳。同样还发现，压力分布在很大程度上受到夹持部件的平坦度的影响，所述加持部件将机械负载施加到设备的外极表面上。甚至当使用叠平并且在其整个设备接触区域上具有大约5μm的测量平坦度的夹持部件时，已经看到不良的压力分布，所述加持部件比在IXYSUKWestcode的具有自适应头部的冲压机中的应用说明书中所要求的平坦地多，所述冲压机特别地设计以确保上夹持表面和下夹持表面之间的平行度。在过去25年中的专利活动的趋势示出从用于多芯片压力接触设备的硬性解决方案到具有改进依从性的方案的转向。这些方案包括弹簧解决方案(ABB、Toshiba、Infineon、国家电网公司)和均匀压力由加压流体提供的解决方案(Honda)。已经发现重要信息的唯一硬性的解决方案是IXYSUKWestcode、Toshiba和FujiElectric的解决方案。FujiElectric的设备可能看上去不再制造。几乎找不到关于Toshiba设备的信息，尽管它们仍然在宣传和销售中。最近出版的来自IXYSUKWestcode的大面积压入式(press-pack)IGBT设备的文献表示它们可能具有可靠性问题，所述可靠性问题被怀疑是源自于压力分布问题(见现有技术6和7)。这些文件示出78°的□Tj时，对于硬性结构的多芯片压力接触设备，IXYSUKWestcode的多芯片压力接触设备的故障周期是大约6000次循环。这与单芯片压力接触设备相比是不令人满意的，对于所述单芯片压力接触设备情况，在80°的□Tj的情况下，故障周期远远超过100000次循环。其他出版的文献回顾通过模拟已经发现压力均匀度可能粗略地受到每一芯片的部件堆叠中的部件的微米级差异的影响。出版文献可用于ABB的弹簧方案StakPak，所述出版文献包括世界各地的HVDC(高压直流)照明方案的案例解读，每一方案利用多达6000个StakPak设备。一个ABB简报确定出10个这样的方案(现有技术1)。根据ABB自己的文献，其弹簧方案已经证明在HVDC照明方案中通常是可靠的。所述出版文献甚至提供故障率的细节，所述细节看起来相对较低。期望的是，为了形成高可靠性多芯片包装，需要与硬性铜电极所提供的相比更兼容的方案。已经制造出设计的原型机。如其设计所预期的，压力均匀度相对于通过传统的设计设备实现的在很大程度上得以改进。这在下文和现有技术8中示出。除了前面描述的
技术介绍
，我们还将一般现有技术总结如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体设备子组件，包括：彼此之间横向间隔开的多个半导体单元，包括多个孔的半导体单元定位器，其中每一半导体单元位于半导体单元定位器的每一孔中；用于将压力施加到每一半导体单元上的多个压力构件；以及位于所述多个压力构件和半导体单元定位器之间的导电可延展层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体设备子组件，包括：彼此之间横向间隔开的多个半导体单元，包括多个孔的半导体单元定位器，其中每一半导体单元位于半导体单元定位器的每一孔中；用于将压力施加到每一半导体单元上的多个压力构件；以及位于所述多个压力构件和半导体单元定位器之间的导电可延展层。2.如权利要求1所述的子组件，其中导电可延展层是平坦隔膜。3.如权利要求1或2所述的子组件，其中导电可延展层是连续层，在导电可延展层中不存在轮廓区域。4.如权利要求1或2或3所述的子组件，其中导电可延展层是柔性层。5.如前述权利要求中任一项所述的子组件，其中导电可延展层包括这样的材料，所述材料包括铜、铝、银，或铜、铝和银的合金。6.如前述权利要求中任一项所述的子组件，其中压力构件包括弹簧。7.如前述权利要求中任一项所述的子组件，还包括弹簧定位器，所述弹簧定位器包括多个孔，其中每一压力构件位于弹簧定位器的每一孔中。8.如权利要求7所述的子组件，其中弹簧定位器与导电可延展层操作地连接。9.如权利要求7或8所述的子组件，还包括在弹簧定位器的孔内在压力构件的两侧上的第一推力垫和第二推力垫，其中第一推力垫从弹簧定位器的第一表面伸出，而第二推力垫与导电可延展层接触。10.如权利要求9所述的子组件，其中第一推力垫和第二推力垫的每一者包括这样的材料，所述材料包括金属。11.如权利要求9或10所述的子组件，其中压力构件被选择成使得利用弹簧定位器、压力构件、第一推力垫和第二推力垫施加预定压力。12.如权利要求11所述的子组件，其中预定压力被施加到阈值压力极限，以使得被施加压力将每一压力构件挤压到使得第一推力垫的最下表面与弹簧定位器的最下表面平齐的程度。13.如权利要求12所述的子组件，其中对于每一压力构件的阈值压力极限是大约1kN。14.如权利要求12或13所述的子组件，其中高出阈值压力极限的被施加压力由弹簧定位器和半导体单元定位器支撑。15.如权利要求7至14中任一项所述的子组件，其中弹簧定位器和半导体单元定位器利用固定装置彼此连接。16...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·A·辛普森，
申请(专利权)人：株洲中车时代电气股份有限公司，丹尼克斯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43