在金屬成型體和結合到厚布線或條片用的功率半導體間形成連接的方法技術

本發明專利技術涉及將具有上側電勢面的功率半導體芯片連接到厚布線或條片的方法，該方法包括以下步驟：提供與上側電勢面的形狀相對應的金屬成型體；將連接層涂覆到上側電勢面或金屬成型體上；在厚布線結合到成型體的非被添加的上側之前，布置金屬成型體并且添加適合的材料、電導通的化合物到電勢面。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】在金屬成型體和結合到厚布線或條片用的功率半導體間形成連接的方法
本專利技術涉及將功率半導體芯片通過上側電勢面連接到厚的布線和條片的方法。
技術介紹
為了開發使用壽命長并且耐用的功率半導體模塊，特別地，半導體的上部（上側）連接和下部（下側）連接有很高的熱要求和電要求。通常，半導體的下側通過焊接連接、或者還部分地通過燒結或擴散焊接連接。通常，半導體的上側具有最適于厚鋁布線的結合處理的金屬噴鍍或金屬層。盡管半導體的上側和下側有極易變形的金屬噴鍍層，但為降低電損耗，半導體仍然越來越薄。當今，市面上的功率半導體總厚度為70μm。研究機構已經提出厚度僅為10μm的極薄的第一晶片。現有技術的缺點芯片的上側連接對功率模塊的壽命期限影響極大。芯片下側的很穩定的燒結連接只能略微延長模塊的壽命，而半導體上側的鋁布線連接不好則會成為致命因素。許多年來，鋁結合已成為功率電子器件生產線中的確定技術。結合處理的持續優化會使這種連接的預期壽命得以延長。然而，這樣的高水準已接近鋁焊接連接的應力的物理極限，因而預期壽命的大幅提高只能通過設計和結合技術方面的新理念來實現。現在有關半導體下側的燒結技術（相比于焊接技術）已經促成預期使用壽命的兩位數增長，這也印證了上述觀點。而且，在工藝過程中，處理70μm薄的半導體會有許多困難（而對于更薄的半導體，這些困難會更大）。因而，對于加工和測試過程的參數化，以及對于想法的構成，極薄的硅層是加工過程中越來越大的利益風險。不但熱機械應力會導致斷裂的風險，加工過程中的輕負載也會導致斷裂的風險（例如，晶圓級高電流測試時觸針的安裝）。
技術實現思路
現本專利技術的目的是：通過改善上側電勢面上的觸點，增加功率模塊的壽命，特別是增加功率半導體芯片的壽命。同時，利用更穩定并且斷裂風險更低的設計將會提高收益。根據本專利技術，通過獨立權利要求的技術方案可以實現該目的。從屬權利要求參考優選實施例。為了實現該新技術對上側連接的改變，下面先說明功率模塊的設計所需要的改變。這些改變使得與厚的銅布線結合技術相關的上側得以改變，并且對負載循環耐用性方面也有顯著提高。而且，這些改變也降低了由半導體的熱機械應力和加工過程的機械應力所致的斷裂而帶來的風險。上述內容是這樣實現的，通過將金屬層或成型體布置在至少半導體上方，優選也布置在半導體下方，因而半導體以對稱的方式熱機械應變。而且，這些薄層或成型體形成表面的機械保護，特別是遍及電勢面，例如針對摩擦接觸測試過程（晶圓級高電流測試）。這實現了在完成半導體的上側連接之前進行半導體的安全的電學測試。對于電學測試，結合到半導體的金屬層的表面被專用的彈簧工具接觸，不會有損壞半導體的精細表面結構的風險。本專利技術涉及單個的功率半導體芯片、基板上成排的功率半導體，或者具有一系列半導體元件的半導體晶片。單個芯片（圖7，附圖標記12）、成排完整的晶片組件（圖3，附圖標記6）在上側設有約30μm～300μm厚的所謂金屬（優選為導電性、導熱性好，例如Cu（銅）、Ag（銀）、Au（金）、Al（鋁）、Mo（鉬）、W（鎢）及其合金）的成型體4、5。對于在30μm范圍內的薄半導體，使用30μm～40μm的成型體，而對于150μm至200μm的厚一點的半導體，使用100μm～150μm的稍厚點的成型體。該成型體4、5通過低溫燒結技術（銀層7）（或擴散焊接或膠合）固定于半導體12的金屬噴鍍層8上。成型體不遍及單個半導體12的整個尺寸，但在一些實施例中，在上側的低切部分延伸。上側接觸面8所需要的成型體4、5是通過圖案化金屬箔3得到的，金屬箔3通過結合層2（圖1）被承載箔1承載，以轉移到單個的功率半導體、成排的功率半導體或者完整的晶片組件6的待燒結表面。為此，上側觸點的要求位置和區域被轉印至金屬箔的結構。這是通過例如光刻和蝕刻或者通過激光切割（或者銑）和去除廢料實現的（如圖2所示）。在一個優選實施例中，成型體4、5也可另外被氧化抑制層（例如圖8、附圖標記10，NiAu層系統）覆蓋。在該連接中，承載箔用于確保在結合過程中成型體的相互位置精確固定。上側觸點現作為結合搭檔在接觸面的邊界被易燒結銀的結合層7覆蓋（圖3）。另一種方式是將燒結銀布置在成型體4、5上。當具有固定成型體的承載箔被布置在功率半導體上時，成型體4、5與承載箔1的結合確保了所有的預定位置被平行地覆蓋。因此，對于多個功率半導體，通過成型體同樣可確保合理且經濟的安裝。成型體4、5的安裝是在與承載箔1相結合的狀態下進行的，例如通過上部工具借助例如真空承載著箔。半導體載體與上部工具的受控相機X-Y向的相對移動確保了承載箔和功率半導體排列或者和晶片合成物的高位置精度。在Z軸上的布置確保了半導體的預定上側接觸面上承載箔和所有成型體的安裝（圖4）。通過調節得到的位置例如可通過膠合幾點承載箔固定至芯片表面。或者，成型體可通過與燒結層配合來確保結合。在圖4中，可以看出，隔著結合層7，半導體接觸面和成型體的材料結合發生在成型體與結合層的接觸之后。或者，結合層可以是用于搭配的流體焊接或擴散焊接的軟焊料（基于Sn基、Pb基、Au基焊料）。然而，結合層也可以是用于搭配的低溫燒結的主要含Ag的層。如果功率半導體例如是二極管，那么單個二極管通常只載有一個成型體，該成型體通過在功率半導體的接觸面的邊界內精確定位地布置。如果功率半導體是三極管，則半導體的上側至少具有用于柵極和發射極的接觸面，在一些情況下還有集電極的接觸面（氮化鎵半導體），各電極至少與一個成型體接觸。承載箔是耐高溫的，并且能抵住焊接或燒結的工藝溫度，所以可在成型體與接觸面的材料結合之后被去除，而只是將成型體留在預定的位置（圖5）。承載箔具有臨時固定的效力，可支撐成型體一段時間，至少到定位于半導體的接觸面后。若需要，例如可通過紫外線照射減小承載箔的固定效力，所以可進行分離處理，而不留下殘余材料。在可選的實施例中，承載箔在成型體的區域中已具有開放區域（“窗口”）。這些窗口使得更容易滿足不損壞表面的要求：這樣，在窗口區域中可保持沒有粘合劑殘留，并且在窗口區域中可在成型體上直接進行可能需要的清洗（液體清洗或等離子體清洗）。最后，這些區域可通過結合技術被接觸。另一種避免粘合劑殘留的相比有效的方法為：成型體的結合表面的區域上的承載箔上的粘合劑部分消除。優選實施例最適用于厚的銅布線結合（例如達到600μm直徑）。之后，厚的銅接觸布線中的電流從各成型體的表面流到基板表面的相應電勢面。附圖說明參照附圖，根據下面優選實施例的說明，可看出本專利技術進一步的優點和特點，在附圖中：圖1是具有固定層2的承載箔1的圖，固定層2在金屬箔3上；圖2是金屬箔成為各個成型體4、5的結構；圖3是圖2的元件待連接到晶片組件6上，金屬噴鍍層8上的燒結金屬的結合層7已被涂覆在晶片組件6上；圖4是壓力下的燒結步驟，若需要，還加熱；圖5是去除承載箔1和固定層2的步驟；圖6是其上通過燒結固定有成型體的半導體元件的切割工藝的草圖；圖7是具有成型體4的芯片12；圖8是圖7的芯片另外具有氧化抑制層10。具體實施方式將功率半導體芯片通過上側電勢面連接到厚的布線或條片的方法的優點具體包括：在粘結過程中或者粘結前后都不存在半導體的薄金屬噴鍍層或結構損壞的風險，并且能改善電流分布。對于厚的銅布線結合（例如達到6本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于形成具有上側電勢面的功率半導體芯片(12)與厚布線或條片的連接的方法，其特征在于：在承載箔(1)上提供與所述上側電勢面的形狀相對應的多個金屬成型體(4、5)，所述承載箔(1)具有設置在所述多個金屬成型體(4、5)的中央局部面上方的多個窗口；在所述上側電勢面或所述金屬成型體(4、5)上涂覆結合層(7)；以及在厚布線結合到所述成型體(4、5)的非結合上側之前，布置所述金屬成型體(4、5)并且形成與所述電勢面的粘合的電導通連接。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2011.10.15 DE 102011115886.71.一種用于形成具有上側電勢面的功率半導體芯片(12)與厚布線或條片的連接的方法，其特征在于：在承載箔(1)上提供與所述上側電勢面的形狀相對應的多個金屬成型體(4、5)，所述承載箔(1)具有設置在所述多個金屬成型體(4、5)的中央局部面上方的多個窗口；在所述上側電勢面或所述金屬成型體(4、5)上涂覆結合層(7)；以及在厚布線結合到所述成型體(4、5)的非結合上側之前，布置所述金屬成型體(4、5)并且形成與所述電勢面的粘合的電導通連接。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所提供的所述成型體(4、5)包括由Cu、Ag、Au、Mo、Al、W構成的組中的至少一種金屬或它們的合金，所述合金包括前述組中的一種或多種金屬。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述結合層(7)，成型體(4、5)和電勢面通過燒結、擴散焊接或者膠...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬丁·貝克爾，羅納德·艾西爾，弗蘭克·奧斯特瓦爾德，加賽克·魯茲基，
申請(專利權)人：丹佛斯硅動力股份有限公司，
類型：發明
國別省市：德國,DE