高度可适配的多层间隔件制造技术

本发明专利技术涉及一种用于在电子部件中使用的金属层堆叠，具体地作为功率电子部件中的间隔件，包括n个块体金属层和n或n+1个接触材料层，其中该块体金属层和该接触材料层以交替方式堆叠并且n至少为二。另外，本发明专利技术涉及一种用于制备该金属层堆叠的方法以及一种包括此类金属层堆叠的半导体模块。属层堆叠的半导体模块。属层堆叠的半导体模块。

【技术实现步骤摘要】
高度可适配的多层间隔件
[0001]本专利技术涉及适合作为功率电子器件的间隔件的金属层堆叠、包括该金属层堆叠的半导体模块和用于制造此类金属层堆叠的方法。
[0002]在现代功率电子器件中，例如在电动车辆(EV)中，存在朝向越来越高的功率密度的持续趋势。这些模块中的最大挑战中的一者是耗散由半导体生成的热量。一种方法是在芯片的表面上使用间隔件，其可帮助将热量引导到合适的散热器。
[0003]在现有技术中，间隔件由实心材料块制成，该实心材料块主要是铜或特殊的CTE适配材料(钼、钨等)。这些几乎是专门焊接的，因为在粘结期间不需要施加压力，并且焊料通常能够通过在熔融状态下形成弯月面而桥接小间隙。
[0004]所有已知技术的共同之处在于，为了在模块中桥接不同距离，必须构建单独间隔件。此外，从焊接到低温压力烧结的改变对于创建具有较高热稳定性的接头而言是有益的，但它仍然是挑战性的，因为小高度容差导致压力分布中的强烈影响，特别是当在模块内烧结若干间隔件时。原则上也有可能在不施加压力的情况下烧结。然而，无压力烧结常规上导致表现出高空隙的烧结接头，并且因此这些无压力烧结接头的长时间和/或温度稳定性较低。然而，已观察到间隔件的烧结可损坏敏感芯片结构(例如，栅极流道)并且因此必须将烧结压力减小到最小值。
[0005]因此，本专利技术的目的是克服现有技术的至少一个缺点。具体地，本专利技术的目的是提供一种间隔件，该间隔件可容易地适于桥接功率电子模块中的不同高度。
[0006]此外，本专利技术的一个目的是提供一种间隔件，当与现有技术的间隔件相比时，该间隔件在生产期间在如栅极流道的敏感部件上施加更小压力，同时仍然实现具有高热稳定性和机械稳定性的接头。
[0007]本目的由独立权利要求的主题解决。从属权利要求指定本专利技术的优选实施方案。
[0008]在第一方面，本专利技术涉及一种用于在电子部件中使用的金属层堆叠，包括n个块体金属层和n或n+1个接触材料层，其中该块体金属层和该接触材料层以交替方式堆叠并且n至少为二。在接触材料层的数量为n+1的情况下，第一层和最后层各自包括接触材料。
[0009]该金属层堆叠特别适合作为电子部件中的间隔件，并且更特别地适合作为功率电子部件中的间隔件。优选地，其可用于在不损坏例如在半导体芯片上的敏感结构的情况下灵活地桥接半导体芯片和相应散热器之间的间隙。例如，散热器可以是含金属的衬底。
[0010]可以由包含一个块体金属层的标准化层组件构建金属层堆叠，其中接触材料层布置在块体金属层的至少一个表面上。通过使用层组件的标准化厚度的此类模块化方法，仅通过选择正确数量的层组件，就可以低成本提供用于各种高度的间隔件。
[0011]金属层堆叠包括至少两种不同类型的金属层。金属层包括块体金属层和接触材料层。金属层包括金属或由金属组成。因此，其优选是导电和导热的。
[0012]如果用作间隔件，本专利技术的金属层堆叠的优点在于，与其中仅一个接触材料层布置在金属块的每一侧上的常规间隔件相比，可更容易且更有效地补偿高度容差。
[0013]在该上下文中，术语“块体”是指金属不表现出任何有意的孔隙率。例如，块体金属层的相对密度大于99.9％。术语“块体”也可被理解为“大块”金属层并且与由颗粒制成的金
属层相反。
[0014]块体金属层的金属优选地包括选自由铜、钼、钨、银和铝组成的组的元素或由该元素组成。最优选地，块体金属层包括铜。块体金属层可包括元素金属或合金或由元素金属或合金组成。在本专利技术的上下文中，元素金属是指除了不可避免的杂质之外，金属仅由一种元素组成。在优选实施方案中，元素金属中的杂质的量不超过1重量％，具体地其不超过0.1重量％或甚至0.01重量％。杂质可以是金属杂质(例如，银)或非金属杂质(例如，氧)。合金包括至少一种金属与至少一种合金组分的组合，其中组合具有金属性质。为了清楚起见，至少一种金属和至少一种合金组分是不同的。至少一种合金组分可选自金属、半金属和非金属的组。优选地，至少一种合金组分选自由铜、钼、钨、银、铝和它们的组合组成的组。
[0015]块体金属层的厚度优选地在30μm至1000μm的范围内，优选50μm
‑
600μm。在x方向和y方向上的尺寸优选在500μm至20mm的范围内。金属层堆叠的块体金属层可具有相同尺寸或不同尺寸。优选地，金属层堆叠的每个块体金属层具有相同厚度。另选地，块体金属层中的至少一者可具有与堆叠的其余块体金属层相比不同的厚度。
[0016]在任选实施方案中，金属层堆叠的块体金属层中的一者或多者可包括阻挡层。阻挡层优选包括选自银和镍的材料，优选镍合金，例如NiPDAu NiAg和NiAu。优选地，阻挡层位于块体金属层和接触材料层之间。
[0017]此外，金属层堆叠包含接触材料层。由接触材料层形成的接触优选是电接触、热接触和机械接触或前述的组合。接触材料层的平均厚度优选为至少5μm并且更优选为至少10μm。接触材料层的平均厚度优选为至多100μm并且具体地至多50μm。
[0018]接触材料层优选地包含接触材料前体或接头材料。接触材料前体能够转变成接头材料。接触材料可选自焊料材料、烧结材料和导电粘合剂材料。接触材料前体可以是焊料前体、烧结前体或导电粘合前体。接头材料可以是焊接接头、烧结接头或导电粘合剂接头。
[0019]焊料材料可包括焊料前体或焊接接头。烧结材料可包括烧结前体或烧结接头。导电粘合剂可包含导电粘合前体或导电粘合剂接头。
[0020]典型地，焊料前体可被转换成焊接接头，烧结前体可被转化成烧结接头，并且粘合前体可被转化成粘合剂接头。
[0021]如果接触材料前体是焊料前体，则它可被熔融并且随后在冷却时硬化以产生焊接接头。焊料前体可包括电子器件领域技术人员将认为可用于电子部件领域的任何焊料合金或由其组成。优选地，焊料材料包括焊料合金，其包含选自铅、锡、锌、铋、银、铜或它们的任意组合的组的元素中的至少一种。示例是锡
‑
银
‑
合金和锡
‑
银
‑
铜
‑
合金，其任选地包括至少一种附加元素，例如镍、钴、铋、锑、锗、镓和铟。
[0022]焊料前体优选是焊膏或焊料箔。焊膏可根据本领域技术人员的知识来选择。焊膏可优选包含本文所指定的焊料合金的粉末并且可另外包括承载体。承载体可包括选自由溶剂、流变改性剂、助熔剂和稳定剂组成的组的至少一种组分。任选地，一种组分可属于这些类别中的多于一者。溶剂可以是有机溶剂或水性溶剂。
[0023]任选地，焊膏可以是可流动的焊膏或干燥的焊膏。干燥的焊膏可以是固体，但可包含承载体的小部分。在干燥的焊膏中，焊料合金颗粒优选不熔融在一起。
[0024]焊料箔可以是焊料合金箔，其任选地包括助熔剂。
[0025]焊料前体可被转换成焊接接头。该过程被称为焊接。通过加热焊料前体，焊料合金
熔化。典型地，熔融合金与其接触的组分形成合金。在本专利技术的情况下，熔融合金可与块体金属层的材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于在电子部件中使用的金属层堆叠，包括n个块体金属层和n或n+1个接触材料层，其中所述块体金属层和所述接触材料层以交替方式堆叠并且n至少为二。2.根据权利要求1所述的金属层堆叠，其中所述接触材料层包括烧结材料。3.根据权利要求1或2所述的金属层堆叠，其中所述接触材料层的平均厚度在10μm至100μm的范围内。4.根据权利要求1至3中任一项所述的金属层堆叠，其中所述块体金属层包括选自由铜、钼、钨、银、铝和它们的组合组成的组的金属。5.根据权利要求1至4中任一项所述的金属层堆叠，其中所述块体金属层的平均厚度在50μm至600μm的范围内。6.根据权利要求1至5中任一项所述的金属层堆叠，其中所述烧结材料是烧结前体或烧结接头。7.根据权利要求1至6中任一项所述的金属层堆叠，其中所述烧结材料包括选自由银、铜、铝、锡、铟、铋、镍和锌组成的组的金属。8.一种半导体模块，其中半导体芯片的第一表面与根据权利要求1至7中任一项所述的金属层堆叠的第一接触材料层接触。9.根据权利要求8所述的半导体模块，其中衬底附接到所述金属层堆叠的所述最后接触材料层。10.根据权利要求8或9所述的半导体模块，其中至少一个栅极流道布置在所述半导体芯片和所述金属层堆叠之间。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：贺利氏德国有限两合公司，
类型：发明
国别省市：