連接組件的方法、電路組件的組合體和電路的製作方法

2023-07-08 02:32:16 1

專利名稱：連接組件的方法、電路組件的組合體和電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及為了建立電路模塊的至少兩個組件之間的機械和電氣相互連接 (interconnect)而連接(join)這些組件的方法。本發明進一步涉及電路組件的對應組合 體(composite)和電路模塊。
背景技術：
在例如電子電路模塊的電路模塊或諸如微電子封裝、功率電子封裝、甚至LED封 裝的半導體封裝中需要在組件之間有多個接頭(joints)或相互連接/接合。管芯粘接 (Die-attach)、引線接合(wire bonding)是第一層封裝，這些接頭通常是整個封裝中最重 要也是最薄弱的點。功率電子的趨勢是向更高功率密度、更高操作溫度和更高可靠性需求 方向發展，並且諸如例如SiC、GaN的新的寬帶隙半導體材料也需要用於更高操作溫度和更 高可靠性的先進的封裝。半導體封裝現在正在變成高功率和高性能功率電子系統的瓶頸。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種連接電路模塊組件的方法，電路模塊組件的對應組 合體和相比傳統電路允許更高操作溫度和更高可靠性的電路模塊。通過獨立權利要求的特徵實現了該目的。優選的實施例通過從屬權利要求給出。通過用於燒結組件之間的金屬接頭的燒結過程實現該連接，其中為了支持所述燒 結過程在燒結過程期間至少臨時地提供超聲波振動能量。與使用焊接和引線接合技術的傳 統電路模塊相比，諸如例如Ag燒結接頭的金屬燒結接頭提供了高得多的操作溫度和更高 的可靠性。與焊接的(管芯_)接合和引線接合相比^g燒結接頭顯示了更好的電氣、熱和機 械特性，其導致更高的功率密度能力、更高的操作溫度能力和更高的可靠性。然而，由於在 這種燒結過程期間需要燒結壓力(l_40MPa)和燒結溫度或燒結熱量(大約200°C -350°C )， 通過諸如Ag的金屬的燒結過程的連接或接合是繁重的。通常使用具有集成的加熱的壓力 機(press)來完成這種燒結。由於必須要保持熱量數分鐘，因而單個接合裝置的處理量受 到限制。燒結接頭提供了相比使用焊接和引線接合技術的傳統封裝高得多的操作溫度和 更高的可靠性。然而，由於熱量和壓力必須同時保持數分鐘，通常包括施加高壓和熱量的燒 結過程對於大規模生產難以實現。因此，根據本發明的燒結過程由施加的燒結壓力、燒結溫 度並且另外由感應的(induced)超聲波振動能量來推動。為了減少需要的燒結壓力、燒結 時間和/或燒結溫度，通過感應高頻超聲波將超聲波振動能量提供到金屬接頭。對於本發 明，術語「金屬接頭」涉及至少兩個組件之間的機械和電氣相互連接(或接合)。超聲波技術和超聲波設備在半導體產業已經很好地建立和使用了很多年。在金屬 中，由於表面氧化物的高壓擴散、材料的局部運動以及還有局部加熱而發生超聲波燒結。例 如在功率電子封裝中使用超聲波振動能量的Al引線接合和甚至Cu端子(terminate)到襯 底的超聲波焊接。到目前為止，超聲波設備是非常快的，並且能夠輕鬆地實現自動化，也能夠實現乾淨和精確的接頭。根據本發明的第一實施例，金屬是Ag或至少包括Ag。Ag燒結是眾所周知的低溫 接合方法。根據本發明的另一實施例，用於施加燒結壓力和/或溫度的工具進一步用於提供 超聲波振動能量到新出現接頭(emergingjoint)。裝置尤其是超聲波設備的施壓工具的頂 端。施壓工具優選包括超聲波焊機(sonotrode)，其受到超聲波振動，並且傳送超聲波振動 能量到組件的連接區域中。根據本發明的另一實施例，金屬粒子，特別是納米尺寸金屬粒子，被燒結來形成燒 結金屬接頭。粒子，特別是Ag和/或納米Ag粒子，其被燒結來形成Ag燒結接頭。根據本發明的另一實施例，該方法進一步包括印刷和/或配送(dispense)包括至 少一個組件的連接區域上的金屬粒子、用於將這些組件相鄰連接(adjacent joining)的懸 浮物(suspension)的步驟根據本發明的又一實施例，通過一個燒結過程產生至少兩個燒結金屬接頭。根據本發明的優選實施例，電路模塊是電子電路模塊，優選的是微電子模塊，功率 電子模塊，LED模塊(LED 發光二極體)或類似模塊，尤其是諸如微電子封裝、功率電子封裝 或甚至是LED封裝的半導體封裝。根據本發明的另一優選實施例，至少一個組件是半導體裝置。根據本發明的又一優選實施例，至少一個組件在形成燒結接頭的區域中在其外表 面上包括貴金屬塗層。該區域基本位於連接區域中。本發明進一步涉及包括電路模塊的至少兩個組件的組合體，其中這些組件通過至 少一個接頭機械地和電氣地相互連接。根據本發明，通過使用前述方法連接組件來製造組 合體，其中接頭是燒結金屬接頭。該方法利用了良好建立的超聲波技術來幫助金屬燒結，以及用於形成燒結金屬接 頭。超聲波振動能量的使用加速了燒結過程，並且能夠輕鬆地實現用於大規模生產的自動 化。金屬粒子，尤其是納米尺寸金屬粒子，被燒結以形成燒結金屬接頭。根據本發明的實施例，燒結金屬接頭的金屬是Ag或包括Ag。粒子尤其是Ag和/ 或納米Ag粒子，其被燒結以形成Ag燒結接頭。於是超聲波Ag/納米Ag燒結能夠替代軟焊 和引線接合來用於下一代高性能半導體封裝。根據本發明的另一實施例，至少一個組件是半導體裝置。本發明進一步涉及包括至少一個前述組合體的電路模塊。優選地，電路模塊是電 子電路模塊。


參考以下描述的實施例，本發明的這些或其它方面會變得明顯並得以闡述，附圖 中圖1示出根據本發明第一實施例的用於電子電路模塊的組件的組合體；圖2示出根據本發明第二實施例的包括四個組合體的電子電路模塊；和圖3描述了圖2所示的電子電路模塊的截面圖；以及詳細描述所述電子電路模塊 的組合體之一。
具體實施例方式圖1示出作為半導體裝置14的第一組件12和作為形成為金屬帶(metal ribbon) 的接觸裝置18的第二組件16的組合體10。包括作為Ag粒子和/或Ag納米粒子的金屬粒 子的膏劑層20位於半導體裝置14的上側和接觸裝置18的下側之間。通過施加燒結壓力、 燒結熱量(燒結溫度)，並且另外通過由燒結工具M將感應的超聲波振動能量提供到連接 區域22，形成燒結金屬接頭26。該燒結金屬接頭沈機械地和電氣地將組合體10的第一和 第二組件12、16相互連接。通過單動作施壓(箭頭28)與加熱和提供超聲波振動能量的結合，燒結工具M敷 布(compress)包括Ag粒子和/或Ag納米粒子的層20，燒結金屬接頭26 (燒結Ag接頭) 在其中出現。如圖1所示，通過超聲波Ag/納米Ag燒結將作為半導體裝置12 (或晶片，特別是 IGBT(IGBT:絕緣柵極雙極性電晶體)的發射極或二極體的陰極)的第一組件14的頂部與 第二組件16 (帶(ribbon))燒結。燒結過程通過如下使用工具M的超聲波設備完成1、將Ag/納米Ag膏劑層20通過模板/絲網印刷(stencil/screenprinting)或 配送在半導體裝置14(未示出)的所選擇的頂部區域上。2、揀選和放置帶，特別是Al帶或Cu帶，優選地包括貴金屬鍍層(如Ag鍍層或Au 鍍層)、燒結，其中燒結過程會通過合適的工具M所產生的所提供超聲波振動能量(超聲波 能量)、局部熱量和壓力來開始和完成。額外的外部熱量也是用來加速燒結過程(未示出) 的一種選擇。3、將帶超聲波接合到襯底(圖1中未示出)的金屬化處(metallization)能夠通 過使用具有合適參數的同樣的設備/工具來完成。圖2和3描述了根據本發明第二實施例的包括四個組合體10的電路模塊30。圖 2到3示出的電路模塊30是電子電路模塊32。每個組合體10包括兩個燒結金屬接頭26、 34，其通過使用一個燒結工具M的單一燒結過程來產生。圖3示出作為半導體裝置14的 第一組件12位於作為在第一組件12上側的接觸裝置18的第二組件16和作為在第一組件 12下側之下的電子電路模塊32的金屬化襯底38的第三組件36之間的夾層結構。包括Ag 粒子和/或Ag納米粒子的膏劑層20分別位於第一組件12和第二組件16之間以及第一組 件12和第三組件36之間。通過施加燒結壓力、燒結熱量(燒結溫度)和額外地通過由燒結工具M將感應的 超聲波振動能量提供到連接區域22，兩個燒結金屬接頭沈、34同時形成。一個燒結金屬接 頭26機械地和電氣地將組合體10的第一和第二組件12、16相互連接，另一燒結金屬接頭 34機械地和電氣地將組合體10的第一和第三組件12、36相互連接。使用工具M的超聲波設備來提供超聲波振動能量、局部熱量和壓力到預期連接 界面(joining interface)(或接合界面)。整個連接過程能夠描述為如下1、將Ag/納米Ag膏劑通過模板/絲網印刷或配送在襯底和帶底部(ribbon bottom)(未示出)。2、通過燒乾過程(burn out processes)乾燥有機粘合劑(binder)(該步驟可以 和步驟3結合、例如在放置半導體裝置12和接觸裝置16之後乾燥有機粘合劑)。
3、揀選和放置半導體裝置12和接觸裝置16，並且施加超聲波振動能量、局部熱量 和壓力來幫助同時在半導體裝置12的底部和頂部界面處的層20中燒結Ag/納米Ag粒子。4、來自半導體裝置12的底部的額外外部熱量是可選的，用來加速燒結和擴散過 程。圖2示出了具有雙側燒結的半導體裝置12的最終的電子電路模塊32。作為替換的過程(未示出)1、將Ag/納米Ag膏劑通過模板/絲網印刷或配送在襯底38上。2、通過燒乾過程乾燥有機粘合劑(該步驟可以和步驟3結合、例如在放置半導體 裝置14之後乾燥有機粘合劑)。3、揀選和放置半導體裝置14(晶片)，並且使用超聲波機器來施加超聲波振動能 量、局部熱量和壓力來幫助燒結Ag/納米Ag粒子。4、來自半導體裝置14的底部的額外外部熱量是可選的，用來加速燒結和擴散過程。5、遵循圖1的過程來通過超聲波Ag燒結製造半導體裝置14 (晶片)的頂部上的 帶接合(ribbon boding)。圖2示出了最終的雙側金屬燒結的半導體裝置14(晶片)。在附圖和上述的說明書中已經詳細示出和描述了本發明，這種示出和描述要被認 為是說明性或示例性的，而不是限制性的；本發明不局限於所揭示的實施例。所揭示的實施例的其它變形能夠被本領域的技術人員在實施所要求的發明時從 附圖、說明書和附加的權利要求的學習中所理解和實現。在權利要求中，單詞「包括」不排 除其它元件或步驟，不定冠詞「一」不排除複數。在相互不同的從屬權利要求中敘述了特定 措施這一事實不表示這些措施的組合不能用於有利方面。權利要求中涉及的任何參考標記 不應該解釋為對範圍的限定。參考標記列表
10組件的組合體
12第一組件
14半導體裝置
16第二組件
18接觸裝置
20包括金屬粒子的層
22連接區域
24燒結工具
26燒結金屬接頭
28箭頭
30電路模塊
32電子電路模塊
34另一燒結金屬接頭
36第三組件
38金屬化襯底
權利要求
1.一種為了建立電路模塊的至少兩個組件之間的機械和電氣相互連接而連接這些組 件的方法，其中，通過用於在這些組件之間燒結金屬接頭的燒結過程實現該連接，以及為了 支持所述燒結過程在所述燒結過程期間至少臨時地提供超聲波振動能量。
2.根據權利要求1的方法，其中所述金屬是Ag或至少包括Ag。
3.根據上述任一權利要求的方法，其中用於施加所述燒結壓力和/或燒結溫度的工具 進一步用於將所述超聲波振動能量提供到新出現接頭。
4.根據上述任一權利要求的方法，其中金屬粒子，尤其是納米尺寸金屬粒子，被燒結來 形成燒結金屬接頭。
5.根據權利要求4的方法，進一步包括印刷和/或配送包括至少一個所述組件的連接 區域上的、用於將這些組件相鄰連接的金屬粒子的懸浮物的步驟。
6.根據上述任一權利要求的方法，其中通過一個燒結過程產生至少兩個燒結金屬接頭。
7.根據上述任一權利要求的方法，其中所述電路模塊是電子電路模塊。
8.根據上述任一權利要求的方法，其中至少一個所述組件是半導體裝置。
9.根據上述任一權利要求的方法，其中至少一個所述組件在燒結接頭形成的區域中在 其外表面上包括貴金屬塗層。
10.一種包括電路模塊(30)的至少兩個組件(12、16、36)的組合體(10)，其中所述組 件(12、16、36)通過至少一個接頭機械地和電氣地相互連接，其特徵在於通過使用根據上 述任一權利要求的方法連接所述組件來製造所述組合體(10)，其中所述接頭是燒結金屬接 頭(12、16、36)。
11.根據權利要求10的組合體，其中所述燒結金屬接頭(12、16、36)的金屬是燒結Ag 接頭或包括Ag的燒結金屬接頭。
12.根據權利要求10或11的組合體，其中至少一個所述組件(1 是半導體裝置(14)。
13.—種包括至少一個根據權利要求10到12之一的組合體(10)的電路模塊(30)。
14.根據權利要求13的電路模塊，其中所述電路模塊(30)是電子電路模塊(32)。
全文摘要
本發明的名稱為連接組件的方法、電路組件的組合體和電路，涉及一種為了建立電路模塊(30)的至少兩個組件(12、16、36)之間機械的和電氣的相互連接而連接這些組件(12、16、36)的方法，其中通過用於在這些組件(12、16、36)之間燒結金屬接頭(26、34)的燒結過程實現該連接，並且其中為了支持所述燒結過程在燒結過程期間至少臨時地提供超聲波振動能量。本發明進一步涉及一種包括電路模塊(30)的至少兩個組件(12、16、36)的對應組合體(10)和對應電路模塊(30)。
文檔編號H05K1/14GK102131353SQ20101057177
公開日2011年7月20日 申請日期2010年10月5日 優先權日2009年10月5日
發明者C·劉, N·舒爾茨, S·基西恩 申請人:Abb研究有限公司