專利名稱：連接組件的方法、電路組件的組合體和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為了建立電路模塊的至少兩個(gè)組件之間的機(jī)械和電氣相互連接 (interconnect)而連接(join)這些組件的方法。本發(fā)明進(jìn)一步涉及電路組件的對應(yīng)組合 體(composite)和電路模塊。
背景技術(shù)：
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(dǎo)體封裝中需要在組件之間有多個(gè)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(gè)封裝中最重 要也是最薄弱的點(diǎn)。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(fā)展，并且諸如例如SiC、GaN的新的寬帶隙半導(dǎo)體材料也需要用于更高操作溫度和更 高可靠性的先進(jìn)的封裝。半導(dǎo)體封裝現(xiàn)在正在變成高功率和高性能功率電子系統(tǒng)的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)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(yīng)組 合體和相比傳統(tǒng)電路允許更高操作溫度和更高可靠性的電路模塊。通過獨(dú)立權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn)了該目的。優(yōu)選的實(shí)施例通過從屬權(quán)利要求給出。通過用于燒結(jié)組件之間的金屬接頭的燒結(jié)過程實(shí)現(xiàn)該連接，其中為了支持所述燒 結(jié)過程在燒結(jié)過程期間至少臨時(shí)地提供超聲波振動(dòng)能量。與使用焊接和引線接合技術(shù)的傳 統(tǒng)電路模塊相比，諸如例如Ag燒結(jié)接頭的金屬燒結(jié)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(jié)接頭顯示了更好的電氣、熱和機(jī) 械特性，其導(dǎo)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，由于在 這種燒結(jié)過程期間需要燒結(jié)壓力(l_40MPa)和燒結(jié)溫度或燒結(jié)熱量(大約200°C -350°C )， 通過諸如Ag的金屬的燒結(jié)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(jī)(press)來完成這種燒結(jié)。由于必須要保持熱量數(shù)分鐘，因而單個(gè)接合裝置的處理量受 到限制。燒結(jié)接頭提供了相比使用焊接和引線接合技術(shù)的傳統(tǒng)封裝高得多的操作溫度和 更高的可靠性。然而，由于熱量和壓力必須同時(shí)保持?jǐn)?shù)分鐘，通常包括施加高壓和熱量的燒 結(jié)過程對于大規(guī)模生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)過程由施加的燒結(jié)壓力、燒結(jié)溫 度并且另外由感應(yīng)的(induced)超聲波振動(dòng)能量來推動(dòng)。為了減少需要的燒結(jié)壓力、燒結(jié) 時(shí)間和/或燒結(jié)溫度，通過感應(yīng)高頻超聲波將超聲波振動(dòng)能量提供到金屬接頭。對于本發(fā) 明，術(shù)語“金屬接頭”涉及至少兩個(gè)組件之間的機(jī)械和電氣相互連接(或接合)。超聲波技術(shù)和超聲波設(shè)備在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)很好地建立和使用了很多年。在金屬 中，由于表面氧化物的高壓擴(kuò)散、材料的局部運(yùn)動(dòng)以及還有局部加熱而發(fā)生超聲波燒結(jié)。例 如在功率電子封裝中使用超聲波振動(dòng)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(shè)備是非?？斓?，并且能夠輕松地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，也能夠?qū)崿F(xiàn)干凈和精確的接頭。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，金屬是Ag或至少包括Ag。Ag燒結(jié)是眾所周知的低溫 接合方法。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，用于施加燒結(jié)壓力和/或溫度的工具進(jìn)一步用于提供 超聲波振動(dòng)能量到新出現(xiàn)接頭(emergingjoint)。裝置尤其是超聲波設(shè)備的施壓工具的頂 端。施壓工具優(yōu)選包括超聲波焊機(jī)(sonotrode)，其受到超聲波振動(dòng)，并且傳送超聲波振動(dòng) 能量到組件的連接區(qū)域中。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，金屬粒子，特別是納米尺寸金屬粒子，被燒結(jié)來形成燒 結(jié)金屬接頭。粒子，特別是Ag和/或納米Ag粒子，其被燒結(jié)來形成Ag燒結(jié)接頭。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，該方法進(jìn)一步包括印刷和/或配送(dispense)包括至 少一個(gè)組件的連接區(qū)域上的金屬粒子、用于將這些組件相鄰連接(adjacent joining)的懸 浮物(suspension)的步驟根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，通過一個(gè)燒結(jié)過程產(chǎn)生至少兩個(gè)燒結(jié)金屬接頭。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，電路模塊是電子電路模塊，優(yōu)選的是微電子模塊，功率 電子模塊，LED模塊(LED 發(fā)光二極管)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(dǎo)體封裝。根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，至少一個(gè)組件是半導(dǎo)體裝置。根據(jù)本發(fā)明的又一優(yōu)選實(shí)施例，至少一個(gè)組件在形成燒結(jié)接頭的區(qū)域中在其外表 面上包括貴金屬涂層。該區(qū)域基本位于連接區(qū)域中。本發(fā)明進(jìn)一步涉及包括電路模塊的至少兩個(gè)組件的組合體，其中這些組件通過至 少一個(gè)接頭機(jī)械地和電氣地相互連接。根據(jù)本發(fā)明，通過使用前述方法連接組件來制造組 合體，其中接頭是燒結(jié)金屬接頭。該方法利用了良好建立的超聲波技術(shù)來幫助金屬燒結(jié)，以及用于形成燒結(jié)金屬接 頭。超聲波振動(dòng)能量的使用加速了燒結(jié)過程，并且能夠輕松地實(shí)現(xiàn)用于大規(guī)模生產(chǎn)的自動(dòng) 化。金屬粒子，尤其是納米尺寸金屬粒子，被燒結(jié)以形成燒結(jié)金屬接頭。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，燒結(jié)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(jié)以形成Ag燒結(jié)接頭。于是超聲波Ag/納米Ag燒結(jié)能夠替代軟焊 和引線接合來用于下一代高性能半導(dǎo)體封裝。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，至少一個(gè)組件是半導(dǎo)體裝置。本發(fā)明進(jìn)一步涉及包括至少一個(gè)前述組合體的電路模塊。優(yōu)選地，電路模塊是電 子電路模塊。


參考以下描述的實(shí)施例，本發(fā)明的這些或其它方面會變得明顯并得以闡述，附圖 中圖1示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的用于電子電路模塊的組件的組合體；圖2示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的包括四個(gè)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(xì)描述所述電子電路模塊 的組合體之一。
具體實(shí)施例方式圖1示出作為半導(dǎo)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位于半導(dǎo)體裝置14的上側(cè)和接觸裝置18的下側(cè)之間。通過施加燒結(jié)壓力、 燒結(jié)熱量(燒結(jié)溫度)，并且另外通過由燒結(jié)工具M(jìn)將感應(yīng)的超聲波振動(dòng)能量提供到連接 區(qū)域22，形成燒結(jié)金屬接頭26。該燒結(jié)金屬接頭沈機(jī)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(dòng)作施壓(箭頭28)與加熱和提供超聲波振動(dòng)能量的結(jié)合，燒結(jié)工具M(jìn)敷 布(compress)包括Ag粒子和/或Ag納米粒子的層20，燒結(jié)金屬接頭26 (燒結(jié)Ag接頭) 在其中出現(xiàn)。如圖1所示，通過超聲波Ag/納米Ag燒結(jié)將作為半導(dǎo)體裝置12 (或芯片，特別是 IGBT(IGBT:絕緣柵極雙極性晶體管)的發(fā)射極或二極管的陰極)的第一組件14的頂部與 第二組件16 (帶(ribbon))燒結(jié)。燒結(jié)過程通過如下使用工具M(jìn)的超聲波設(shè)備完成1、將Ag/納米Ag膏劑層20通過模板/絲網(wǎng)印刷(stencil/screenprinting)或 配送在半導(dǎo)體裝置14(未示出)的所選擇的頂部區(qū)域上。2、揀選和放置帶，特別是Al帶或Cu帶，優(yōu)選地包括貴金屬鍍層(如Ag鍍層或Au 鍍層)、燒結(jié)，其中燒結(jié)過程會通過合適的工具M(jìn)所產(chǎn)生的所提供超聲波振動(dòng)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(jié)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(shù)的同樣的設(shè)備/工具來完成。圖2和3描述了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的包括四個(gè)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(gè)組合體10包括兩個(gè)燒結(jié)金屬接頭26、 34，其通過使用一個(gè)燒結(jié)工具M(jìn)的單一燒結(jié)過程來產(chǎn)生。圖3示出作為半導(dǎo)體裝置14的 第一組件12位于作為在第一組件12上側(cè)的接觸裝置18的第二組件16和作為在第一組件 12下側(cè)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(jié)構(gòu)。包括Ag 粒子和/或Ag納米粒子的膏劑層20分別位于第一組件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(jié)壓力、燒結(jié)熱量(燒結(jié)溫度)和額外地通過由燒結(jié)工具M(jìn)將感應(yīng)的 超聲波振動(dòng)能量提供到連接區(qū)域22，兩個(gè)燒結(jié)金屬接頭沈、34同時(shí)形成。一個(gè)燒結(jié)金屬接 頭26機(jī)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(jié)金屬接頭 34機(jī)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(jìn)的超聲波設(shè)備來提供超聲波振動(dòng)能量、局部熱量和壓力到預(yù)期連接 界面(joining interface)(或接合界面)。整個(gè)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(wǎng)印刷或配送在襯底和帶底部(ribbon bottom)(未示出)。2、通過燒干過程(burn out processes)干燥有機(jī)粘合劑(binder)(該步驟可以 和步驟3結(jié)合、例如在放置半導(dǎo)體裝置12和接觸裝置16之后干燥有機(jī)粘合劑)。
3、揀選和放置半導(dǎo)體裝置12和接觸裝置16，并且施加超聲波振動(dòng)能量、局部熱量 和壓力來幫助同時(shí)在半導(dǎo)體裝置12的底部和頂部界面處的層20中燒結(jié)Ag/納米Ag粒子。4、來自半導(dǎo)體裝置12的底部的額外外部熱量是可選的，用來加速燒結(jié)和擴(kuò)散過 程。圖2示出了具有雙側(cè)燒結(jié)的半導(dǎo)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(wǎng)印刷或配送在襯底38上。2、通過燒干過程干燥有機(jī)粘合劑(該步驟可以和步驟3結(jié)合、例如在放置半導(dǎo)體 裝置14之后干燥有機(jī)粘合劑)。3、揀選和放置半導(dǎo)體裝置14(芯片)，并且使用超聲波機(jī)器來施加超聲波振動(dòng)能 量、局部熱量和壓力來幫助燒結(jié)Ag/納米Ag粒子。4、來自半導(dǎo)體裝置14的底部的額外外部熱量是可選的，用來加速燒結(jié)和擴(kuò)散過程。5、遵循圖1的過程來通過超聲波Ag燒結(jié)制造半導(dǎo)體裝置14 (芯片)的頂部上的 帶接合(ribbon boding)。圖2示出了最終的雙側(cè)金屬燒結(jié)的半導(dǎo)體裝置14(芯片)。在附圖和上述的說明書中已經(jīng)詳細(xì)示出和描述了本發(fā)明，這種示出和描述要被認(rèn) 為是說明性或示例性的，而不是限制性的；本發(fā)明不局限于所揭示的實(shí)施例。所揭示的實(shí)施例的其它變形能夠被本領(lǐng)域的技術(shù)人員在實(shí)施所要求的發(fā)明時(shí)從 附圖、說明書和附加的權(quán)利要求的學(xué)習(xí)中所理解和實(shí)現(xiàn)。在權(quán)利要求中，單詞“包括”不排 除其它元件或步驟，不定冠詞“一”不排除復(fù)數(shù)。在相互不同的從屬權(quán)利要求中敘述了特定 措施這一事實(shí)不表示這些措施的組合不能用于有利方面。權(quán)利要求中涉及的任何參考標(biāo)記 不應(yīng)該解釋為對范圍的限定。參考標(biāo)記列表
10組件的組合體
12第一組件
14半導(dǎo)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(qū)域
24燒結(jié)工具
26燒結(jié)金屬接頭
28箭頭
30電路模塊
32電子電路模塊
34另一燒結(jié)金屬接頭
36第三組件
38金屬化襯底
權(quán)利要求
1.一種為了建立電路模塊的至少兩個(gè)組件之間的機(jī)械和電氣相互連接而連接這些組 件的方法，其中，通過用于在這些組件之間燒結(jié)金屬接頭的燒結(jié)過程實(shí)現(xiàn)該連接，以及為了 支持所述燒結(jié)過程在所述燒結(jié)過程期間至少臨時(shí)地提供超聲波振動(dòng)能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬是Ag或至少包括Ag。
3.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法，其中用于施加所述燒結(jié)壓力和/或燒結(jié)溫度的工具 進(jìn)一步用于將所述超聲波振動(dòng)能量提供到新出現(xiàn)接頭。
4.根據(jù)上述任一權(quán)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(jié)來 形成燒結(jié)金屬接頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，進(jìn)一步包括印刷和/或配送包括至少一個(gè)所述組件的連接 區(qū)域上的、用于將這些組件相鄰連接的金屬粒子的懸浮物的步驟。
6.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法，其中通過一個(gè)燒結(jié)過程產(chǎn)生至少兩個(gè)燒結(jié)金屬接頭。
7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法，其中所述電路模塊是電子電路模塊。
8.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法，其中至少一個(gè)所述組件是半導(dǎo)體裝置。
9.根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法，其中至少一個(gè)所述組件在燒結(jié)接頭形成的區(qū)域中在 其外表面上包括貴金屬涂層。
10.一種包括電路模塊(30)的至少兩個(gè)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(gè)接頭機(jī)械地和電氣地相互連接，其特征在于通過使用根據(jù)上 述任一權(quán)利要求的方法連接所述組件來制造所述組合體(10)，其中所述接頭是燒結(jié)金屬接 頭(12、16、36)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的組合體，其中所述燒結(jié)金屬接頭(12、16、36)的金屬是燒結(jié)Ag 接頭或包括Ag的燒結(jié)金屬接頭。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的組合體，其中至少一個(gè)所述組件(1 是半導(dǎo)體裝置(14)。
13.—種包括至少一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求10到12之一的組合體(10)的電路模塊(30)。
14.根據(jù)權(quán)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(fā)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(gè)組件(12、16、36)之間機(jī)械的和電氣的相互連接而連接這些組件(12、16、36)的方法，其中通過用于在這些組件(12、16、36)之間燒結(jié)金屬接頭(26、34)的燒結(jié)過程實(shí)現(xiàn)該連接，并且其中為了支持所述燒結(jié)過程在燒結(jié)過程期間至少臨時(shí)地提供超聲波振動(dòng)能量。本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種包括電路模塊(30)的至少兩個(gè)組件(12、16、36)的對應(yīng)組合體(10)和對應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2009年10月5日
發(fā)明者C·劉, N·舒爾茨, S·基西恩 申請人:Abb研究有限公司