用于制造半導體芯片和金屬層間的材料配合的連接的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于制造半導體芯片和金屬層之間的材料配合的連接的方法。由于增長的功率密度、緊湊的結構類型和新的使用領域所引起的期望是，在將來進一步增高半導體芯片的使用溫度。一旦借助于連接體將半導體芯片裝配在電路載體上，連接體就必須在考慮溫度負荷能力的情況下滿足更高的要求。
【背景技術】
[0002]最近，一般用作為連接劑的軟焊料連接逐漸通過連接層所取代，其包含了燒結的金屬粉。這樣的燒結連接在高的應用溫度中具有比軟焊料連接更高的機械穩定性。然而，這樣的燒結連接的制造是費時間的，因為半導體芯片和金屬層在增高的壓力和增高的溫度中必須在一定的最低持續時間中相互擠壓。基本上，最低持續時間能夠通過壓力的升高和/或燒結溫度的升高縮短，然而更高的壓力導致了 -首先在大面積的半導體芯片中、如其在功率電子學中使用的那樣-芯片破裂的危險，同時高燒結溫度能夠顯著地改變半導體芯片的電子特性。
【發明內容】
[0003]因此，本發明的目的在于，提供一種有時間效率的用于制造半導體芯片和金屬層之間的溫度穩定的材料配合的連接的方法。該目的通過根據權利要求1所述的用于制造半導體芯片和金屬層之間的材料配合的連接的方法來實現。本發明的設計方案和改進方案是從屬權利要求的內容。
[0004]為了制造半導體芯片和金屬層之間的材料配合的連接而提供了半導體芯片和金屬層以及包含金屬粉的連接劑。在燒結過程中燒結金屬粉。在預定的燒結持續時間期間不間斷地滿足的要求是，連接劑布置在半導體芯片和金屬層之間，并且連續地從半導體芯片延伸直到金屬層，半導體芯片和金屬層在處在高于最小壓力的壓力區域中相互擠壓，連接劑保持在處在高于最小溫度的溫度區域中，并且聲學信號耦合到連接劑。
[0005]通過將聲學信號耦合到連接劑能夠相對常規的不將聲學信號耦合到連接劑中的燒結過程而言明顯地縮短燒結持續時間。
【附圖說明】
[0006]接下來根據以附圖為參考的實施例闡述本發明。在此示出:
[0007]圖1A至IG是用于制造半導體芯片和金屬層之間的材料配合的連接的第一方法的各種步驟。
[0008]圖2A至2G是用于制造半導體芯片和金屬層之間的材料配合的連接的第二方法的各種步驟。
[0009]圖3是一種方法，其中，為了制造半導體芯片和金屬層之間的材料配合的連接將聲學信號經由半導體芯片耦合到連接劑中。
[0010]圖4是一種方法，其中，為了制造半導體芯片和金屬層之間的材料配合的連接將聲學信號經由金屬層耦合到連接劑中。
[0011]附圖中的視圖并不是原尺寸的。假如沒有其它的說明，在附圖中以相同的標號標記相同的或者相同作用的元件。
【具體實施方式】
[0012]圖1A示出了金屬層21，在其上隨后裝配半導體芯片。金屬層能夠基本上為任意的金屬層。其能夠作為單獨的部分、如作為引線框架(“Leadframe”)存在，又或者作為電路載體2的組件存在。在所示出的示例中，金屬層21是電路載體2的組件，該電路載體具有至少一個介電的絕緣載體20、例如陶瓷以及可選的下金屬層22，如圖3和4中所示。
[0013]金屬層21能夠在總體上是平坦的，但是也是彎曲的。其至少能夠具有平坦的芯片裝配部段21c，在其上隨后裝配半導體芯片。平坦的裝配面使芯片裝配容易并且減少了芯片破裂的危險。
[0014]無論芯片裝配部段21c平坦與否，在預定的芯片裝配部段21c上施加有連接劑3，這基本上能夠以任意的方式實現。連接劑3包含至少一種金屬粉。作為用于金屬粉的金屬首先適用的是貴金屬，例如銀、金、鉑金、鈀、銠，然而也有非貴金屬，如銅。金屬粉能夠完全由正好所述金屬中的一種組成或者具有正好所述金屬中的一種，然而其也能夠由具有所述金屬中的兩種或多種的金屬粉混合物組成或者具有這樣的金屬粉混合物。
[0015]優選地采用銀做為金屬，因為由此生成的燒結的層具有出色的導電以及導熱能力，這首先在功率電子學的領域中是意義重大的，例如當功率半導體應當經由完成燒結的連接層散熱的時候。少量的金屬粉能夠例如構造為顆粒和/或構造為平的薄片(“Flakes”)。
[0016]連接劑3能夠例如是膏體3，其除了金屬粉之外還包含溶劑。膏體能夠以簡單的方式涂敷在芯片裝配部段21c上和/或半導體芯片上。對此圖1B示出了一個示例。在此，連接劑3借助于涂刷器5涂敷到金屬層21上，這能夠如同樣示出的那樣可選地在應用掩模4的情況下實現，其在涂敷連接劑3期間布置在金屬層21的上面，并且其在芯片裝配部段21c的上面具有留空部，通過其由此將掩模印刷中的連接劑3涂敷到芯片裝配部段21c上。對此，涂刷器5利用其朝向芯片裝配部段21c的下邊沿在掩模4上平放地經由掩模4的留空部拉走，以使得在芯片裝配部段21c上留下由連接劑3組成的層。電路載體2的由掩模4遮蓋的邊沿的線路在圖1B中以虛線示出。
[0017]作為掩模的替換，也能夠應用具有多個絲網開口的絲網，由其關閉一部分，然而位于芯片裝配部段21c的上面的部分未關閉，從而能夠在絲網印刷中使連接劑3穿過未關閉的開口涂敷在芯片裝配部段21c上。然而同樣能夠實現的是，連接劑3在沒有掩模或者絲網的情況下涂敷到芯片裝配部段21c上。
[0018]如此外在圖1C中示出的那樣，能夠使涂敷在芯片裝配部段21c上或者金屬層2上的連接劑3干燥，其中，溶劑的至少一部分從連接劑3中去除。為了加快干燥進程，能夠將涂敷的連接劑3加熱到高于室溫(20°C )的溫度，例如到至少50°C、至少100°C或至少150°C和/或最好250°C的溫度。干燥能夠例如在空氣中進行。除此之外，在干燥進程中蒸發粉狀錯(Mahlwachse)，其能夠取決于制造地混合到金屬粉中，并且其應當在實際的燒結過程步驟之前避免銀粒子的聚集和焊接。涂敷的連接劑3的加熱能夠借助于任意的、在圖1C中僅示意性地示出的加熱裝置8實現。
[0019]在干燥連接劑3之后能夠將半導體芯片I放在位于芯片裝配部段21c上的干燥的連接劑3上，以使得干燥的連接劑3位于半導體芯片I和芯片裝配部段21c之間，并且連續地從半導體芯片I延伸直到金屬層21。
[0020]該放置能夠原則上以任意的方式實現。例如，對此能夠采用裝配工具6，其接收所提供的半導體芯片I并且在芯片裝配部段21c的上面放在干燥的連接劑3上，這在圖1D中根據箭頭并且在圖1E中作為結果示出。
[0021]根據同樣在圖1D和IE中(根據裝配工具6中的慣例性的燃燒)示出的選項，能夠使裝配工具6是加熱或能加熱的，從而在將其放在干燥的連接劑3上之前預熱由其接收的半導體芯片1，例如加熱到由于過程安全超過所要求的溫度一些(例如10K)的溫度，即燒結包含在連接劑3中的金屬粉。在由銀組成的金屬粉中、以及對于所有其它的貴金屬粉或銅粉來說適用的是例如至少100°C的預熱溫度。可選地，能夠選擇小于400°C的預熱溫度，以便較小地保持半導體芯片的熱負荷。為了加熱或預熱裝配工具6，其能夠例如具有集成的電阻加熱器。
[0022]可替換或附加地，能夠根據仍在圖1D中(根據金屬層21的下面的風格化的燃燒)示出的其它的選項加熱金屬層21，從而經由金屬層21加熱涂敷在芯片裝配部段21c上的連接劑3，例如加熱到至少100°C的溫度，這同樣加快了接下來的燒結進程，并且可選地到小于400°C的溫度。加熱能夠例如借助于未詳細示出的熱源實現，其經由金屬層的背離涂敷的連接劑3的那側加熱金屬層21。熱源能夠例如是能加熱和/或與加熱的塊、例如金屬塊，其與背離涂敷的連接劑3的那側連接。為了加熱或者預熱塊，其能夠例如具有集成的電阻加熱器。同樣地，能夠用作為熱源以及熱空氣風扇或者輻射加熱器。
[0023]如此外在圖1E中示出的那樣，將半導體芯