连接组件的方法、电路组件的组合体和电路技术

本发明专利技术的名称为连接组件的方法、电路组件的组合体和电路，涉及一种为了建立电路模块(30)的至少两个组件(12、16、36)之间机械的和电气的相互连接而连接这些组件(12、16、36)的方法，其中通过用于在这些组件(12、16、36)之间烧结金属接头(26、34)的烧结过程实现该连接，并且其中为了支持所述烧结过程在烧结过程期间至少临时地提供超声波振动能量。本发明专利技术进一步涉及一种包括电路模块(30)的至少两个组件(12、16、36)的对应组合体(10)和对应电路模块(30)。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及为了建立电路模块的至少两个组件之间的机械和电气相互连接 (interconnect)而连接(join)这些组件的方法。本专利技术进一步涉及电路组件的对应组合 体(composite)和电路模块。
技术介绍
在例如电子电路模块的电路模块或诸如微电子封装、功率电子封装、甚至LED封 装的半导体封装中需要在组件之间有多个接头(joints)或相互连接/接合。管芯粘接 (Die-attach)、引线接合(wire bonding)是第一层封装，这些接头通常是整个封装中最重 要也是最薄弱的点。功率电子的趋势是向更高功率密度、更高操作温度和更高可靠性需求 方向发展，并且诸如例如SiC、GaN的新的宽带隙半导体材料也需要用于更高操作温度和更 高可靠性的先进的封装。半导体封装现在正在变成高功率和高性能功率电子系统的瓶颈。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种连接电路模块组件的方法，电路模块组件的对应组 合体和相比传统电路允许更高操作温度和更高可靠性的电路模块。通过独立权利要求的特征实现了该目的。优选的实施例通过从属权利要求给出。通过用于烧结组件之间的金属接头的烧结过程实现该连接，其中为了支持所述烧 结过程在烧结过程期间至少临时地提供超声波振动能量。与使用焊接和引线接合技术的传 统电路模块相比，诸如例如Ag烧结接头的金属烧结接头提供了高得多的操作温度和更高 的可靠性。与焊接的(管芯_)接合和引线接合相比^g烧结接头显示了更好的电气、热和机 械特性，其导致更高的功率密度能力、更高的操作温度能力和更高的可靠性。然而，由于在 这种烧结过程期间需要烧结压力(l_40MPa)和烧结温度或烧结热量(大约200°C -350°C )， 通过诸如Ag的金属的烧结过程的连接或接合是繁重的。通常使用具有集成的加热的压力 机(press)来完成这种烧结。由于必须要保持热量数分钟，因而单个接合装置的处理量受 到限制。烧结接头提供了相比使用焊接和引线接合技术的传统封装高得多的操作温度和 更高的可靠性。然而，由于热量和压力必须同时保持数分钟，通常包括施加高压和热量的烧 结过程对于大规模生产难以实现。因此，根据本专利技术的烧结过程由施加的烧结压力、烧结温 度并且另外由感应的(induced)超声波振动能量来推动。为了减少需要的烧结压力、烧结 时间和/或烧结温度，通过感应高频超声波将超声波振动能量提供到金属接头。对于本发 明，术语“金属接头”涉及至少两个组件之间的机械和电气相互连接(或接合)。超声波技术和超声波设备在半导体产业已经很好地建立和使用了很多年。在金属 中，由于表面氧化物的高压扩散、材料的局部运动以及还有局部加热而发生超声波烧结。例 如在功率电子封装中使用超声波振动能量的Al引线接合和甚至Cu端子(terminate)到衬 底的超声波焊接。到目前为止，超声波设备是非常快的，并且能够轻松地实现自动化，也能够实现干净和精确的接头。根据本专利技术的第一实施例，金属是Ag或至少包括Ag。Ag烧结是众所周知的低温 接合方法。根据本专利技术的另一实施例，用于施加烧结压力和/或温度的工具进一步用于提供 超声波振动能量到新出现接头(emergingjoint)。装置尤其是超声波设备的施压工具的顶 端。施压工具优选包括超声波焊机(sonotrode)，其受到超声波振动，并且传送超声波振动 能量到组件的连接区域中。根据本专利技术的另一实施例，金属粒子，特别是纳米尺寸金属粒子，被烧结来形成烧 结金属接头。粒子，特别是Ag和/或纳米Ag粒子，其被烧结来形成Ag烧结接头。根据本专利技术的另一实施例，该方法进一步包括印刷和/或配送(dispense)包括至 少一个组件的连接区域上的金属粒子、用于将这些组件相邻连接(adjacent joining)的悬 浮物(suspension)的步骤根据本专利技术的又一实施例，通过一个烧结过程产生至少两个烧结金属接头。根据本专利技术的优选实施例，电路模块是电子电路模块，优选的是微电子模块，功率 电子模块，LED模块(LED 发光二极管)或类似模块，尤其是诸如微电子封装、功率电子封装 或甚至是LED封装的半导体封装。根据本专利技术的另一优选实施例，至少一个组件是半导体装置。根据本专利技术的又一优选实施例，至少一个组件在形成烧结接头的区域中在其外表 面上包括贵金属涂层。该区域基本位于连接区域中。本专利技术进一步涉及包括电路模块的至少两个组件的组合体，其中这些组件通过至 少一个接头机械地和电气地相互连接。根据本专利技术，通过使用前述方法连接组件来制造组 合体，其中接头是烧结金属接头。该方法利用了良好建立的超声波技术来帮助金属烧结，以及用于形成烧结金属接 头。超声波振动能量的使用加速了烧结过程，并且能够轻松地实现用于大规模生产的自动 化。金属粒子，尤其是纳米尺寸金属粒子，被烧结以形成烧结金属接头。根据本专利技术的实施例，烧结金属接头的金属是Ag或包括Ag。粒子尤其是Ag和/ 或纳米Ag粒子，其被烧结以形成Ag烧结接头。于是超声波Ag/纳米Ag烧结能够替代软焊 和引线接合来用于下一代高性能半导体封装。根据本专利技术的另一实施例，至少一个组件是半导体装置。本专利技术进一步涉及包括至少一个前述组合体的电路模块。优选地，电路模块是电 子电路模块。附图说明参考以下描述的实施例，本专利技术的这些或其它方面会变得明显并得以阐述，附图 中图1示出根据本专利技术第一实施例的用于电子电路模块的组件的组合体；图2示出根据本专利技术第二实施例的包括四个组合体的电子电路模块；和图3描述了图2所示的电子电路模块的截面图；以及详细描述所述电子电路模块 的组合体之一。具体实施例方式图1示出作为半导体装置14的第一组件12和作为形成为金属带(metal ribbon) 的接触装置18的第二组件16的组合体10。包括作为Ag粒子和/或Ag纳米粒子的金属粒 子的膏剂层20位于半导体装置14的上侧和接触装置18的下侧之间。通过施加烧结压力、 烧结热量(烧结温度)，并且另外通过由烧结工具M将感应的超声波振动能量提供到连接 区域22，形成烧结金属接头26。该烧结金属接头沈机械地和电气地将组合体10的第一和 第二组件12、16相互连接。通过单动作施压(箭头28)与加热和提供超声波振动能量的结合，烧结工具M敷 布(compress)包括Ag粒子和/或Ag纳米粒子的层20，烧结金属接头26 (烧结Ag接头) 在其中出现。如图1所示，通过超声波Ag/纳米Ag烧结将作为半导体装置12 (或芯片，特别是 IGBT(IGBT:绝缘栅极双极性晶体管)的发射极或二极管的阴极)的第一组件14的顶部与 第二组件16 (带(ribbon))烧结。烧结过程通过如下使用工具M的超声波设备完成1、将Ag/纳米Ag膏剂层20通过模板/丝网印刷(stencil/screenprinting)或 配送在半导体装置14(未示出)的所选择的顶部区域上。2、拣选和放置带，特别是Al带或Cu带，优选地包括贵金属镀层(如Ag镀层或Au 镀层)、烧结，其中烧结过程会通过合适的工具M所产生的所提供超声波振动能量(超声波 能量)、局部热量和压力来开始和完成。额外的外部热量也是用来加速烧结过程(未示出) 的一种选择。3、将带超声波接合到衬底(图1中未示出)的金属化处(metall本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种为了建立电路模块的至少两个组件之间的机械和电气相互连接而连接这些组件的方法，其中，通过用于在这些组件之间烧结金属接头的烧结过程实现该连接，以及为了支持所述烧结过程在所述烧结过程期间至少临时地提供超声波振动能量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：C·刘，S·基西恩，N·舒尔茨，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：CH