半导体功率器件以及组装半导体功率器件的方法与流程

文档序号:13426454
半导体功率器件以及组装半导体功率器件的方法与流程
本发明涉及半导体功率器件。功率器件能够开关相对高的电流和/或相对高的电压。这样的电流可以是在一到几百安培的量级上,并且这样的电压可以是在几百到几千伏特的量级上。本发明还涉及组装半导体功率器件。

背景技术:
公开专利申请US7859079B2公开了一种包括至少两个衬底的开关功率半导体器件,所述公开专利申请通过引用方式纳入。所述衬底被布置成彼此大体上平行。所述衬底的表面和布置在所述衬底上的半导体元件的表面可以包括电极。一个子组的电极面向彼此,并且电气连接被提供在它们之间。在一个实施方案中,所述电气连接通过置于两个电极之间并且被焊接到所述电极的铜球来提供。在另一实施方案中,焊料或引线的滴形元件被设置在两个电极之间。在又一实施方案中,焊料或引线的滴形元件被设置在所述衬底中的一个的电极上,并且铜球被置于所述滴形元件和所述衬底中的另一衬底的电极之间。所述铜球和/或所述滴形元件具有的尺寸适于电极(所述铜球和/或所述滴形元件置于所述电极)之间所需的距离,使得所述两个衬底被布置成彼此大体上平行。所述铜球和/或所述滴形元件提供所述两个衬底的不同电元件之间的电气连接。此外,可以经由所述铜球和/或所述滴形元件将热量传输远离设置在所述衬底上的半导体元件。上文所讨论的专利申请的铜球和/或滴形元件提供所述两个衬底之间的间隔,从而限定所述两个衬底之间的距离。在此文献的下文中,假定形成所述两个衬底之间的最短距离的线是z维度。因此,换句话说,所述铜球和/或所述滴形元件在z维度上限定所述两个衬底相对于彼此的相对位置。在此文献的下文中,还假定x维度和y维度被定向成垂直于上文所讨论的z维度。因此,假定了三维笛卡尔坐标系。在上文所引用的专利公开内容中,当第一衬底和第二衬底是精确地平坦的并且所述铜球具有使得所述两个衬底彼此精确地平行布置的尺寸时,x维度和y维度限定一个也平行于所述两个衬底的虚拟平面。

技术实现要素:
在组装开关功率半导体器件(诸如上文所引用的专利的开关功率半导体器件)期间,两个衬底还必须在x维度和y维度上相对于彼此很好地对准。在组装期间使两个衬底在x维度和y维度上对准的一种解决方案是利用可见对准标记,该可见对准标记通过摄像机和致动器来记录;并且基于视频处理系统的输出来控制该可见对准标记,以使两个衬底相对于彼此移动到正确的(x,y)位置中。不幸的是,已经看到,这样的用于使第一衬底相对于第二衬底在x维度和y维度上对准的解决方案不足够准确。通常,就在铜球或滴形元件(例如,通过焊接)被紧固到第一衬底或第二衬底之前,第一衬底和/或第二衬底可以在x维度或y维度上移动,然后使所衬底相对于彼此不足够准确地对准。本发明的目的是提供一种包括两个相对于彼此更好地对准的衬底的开关功率半导体器件。本发明的第一方面提供了一种半导体功率器件。本发明的第二方面提供了一种组装半导体功率器件的方法。有利的实施方案被限定在从属权利要求中。根据本发明的第一方面的半导体功率器件包括第一衬底、第二衬底和互连结构。第一衬底包括一个开关半导体元件。第一衬底具有第一表面并且局部地包括第一导电层和第一接收元件。开关半导体元件被设置在第一表面上。第二衬底包括面向第一表面的第二表面。第二衬底包括第二接收元件并且局部地包括第二导电层。互连结构用于提供位于一侧的第一导电层中的至少一个和位于另一侧的第二导电层中的至少一个之间的至少一个电气连接。互连结构包括由导电材料制成的多个互连元件。多个互连元件中的至少一个是对准互连元件。对准互连元件被第一接收元件部分地接收且被第二接收元件部分地接收,用于对准第一衬底相对于第二衬底的相对位置。所述接收元件具有一个凹口,所述凹口被成形为用于至少部分地接收所述对准互连元件,且所述对准互连元件的形状被选择为使得当所述接收元件和所述对准互连元件作用于彼此时且当所述对准互连元件或所述接收元件中的一个接收到力时,影响所述对准互连元件相对于所述接收元件定位到一个唯一固定的相对位置。从而,使所述第一衬底相对于所述第二衬底对准。在根据上文所讨论的实施方案的功率半导体器件中,所述第一衬底相对于所述第二衬底的对准被设置如下。在所述第一衬底上的一个适当位置处和在所述第二衬底上的一个适当对应位置处;设置被配置为接收所述对准互连元件的接收元件。所述适当位置被选择,并且所述对准互连元件的具体尺寸和形状被选择为使得,当所述第一接收元件接收所述对准互连元件的一部分且所述第二接收元件也接收所述对准互连元件的一部分时,所述第一衬底相对于所述第二衬底的相对位置是(所要求的)对准位置。因为所述接收元件接收所述对准互连元件的部分,所以所述对准互连元件的位置被固定到所述接收元件的位置,因此使所述第一衬底相对于所述第二衬底的相对位置固定。此外,因为所述接收元件的凹口的形状和所述对准互连元件的形状二者都被选择为使得,当在力的影响下它们作用于彼此时,它们协作以朝向所述对准互连元件相对于所述接收元件的唯一固定位置,仅能存在所述对准互连元件相对于所述接收元件的一个具体相对布置。从而,所述接收元件被迫使朝向一个被很好地限定和固定的、相对于彼此的相对位置,从而所述衬底被迫使朝向一个很好地限定和固定的、相对于彼此的相对位置。在大多数实施方案中,施加到所述接收元件或所述对准互连元件的力可以是重力,但是它还可以是主动施加到所述元件中的一个元件的力。还将注意到,使所述衬底朝向一个相对于彼此的唯一固定的相对位置对准还导致所述第一导电层的图案相对于所述第二导电层的图案对准。因此,还可以在本申请中阅读到,所述接收元件和所述对准互连元件具有使所述导电层的图案相对于彼此对准的功能。与背景技术的讨论一致,可以在半导体功率器件中限定笛卡尔坐标系。在根据本发明的半导体功率器件中,所述接收元件的形状和尺寸和所述对准互连元件的形状和尺寸限定了所述两个衬底之间的距离,因此限定了所述第一衬底相对于所述第二衬底在z维度上的相对位置。所述第一接收元件在所述第一衬底上的位置和所述第二接收元件在所述第二衬底上的位置限定了所述两个衬底在x维度和y维度上的相对对准。根据一个实施方案,当所述对准互连元件和所述接收元件彼此上下叠置时并且由所述元件中的一个接收力并且另一元件在一个固定位置处时,所述对准互连元件的一部分被所述接收元件自动地接收。例如,当对准互连元件被放置在一个具有固定位置的接收元件上时,由所述对准互连元件接收重力,并且该力导致所述对准互连元件被相应的接收元件部分接收,且重力迫使所述对准互连元件朝向所述唯一固定的位置。在一个实施例中,所述对准互连元件具有球形形状并且所述接收元件是孔:当所述球形形状被放置在所述孔的顶部上时,所述球形形状被所述孔自动地至少部分地接收,并且球体朝向一个唯一的位置滚动,使得它被所述接收元件最佳地部分地接收。这具有的优点是,在组装所述功率半导体器件期间,自动地执行对准,并且不需要单独的步骤来迫使所述接收元件接收所述对准互连元件的部分。所述开关半导体元件可以是晶体管、场效应晶体管(FET)、MOS场效应晶体管(MOSFET)、晶闸管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、二极管或其他适当的半导体开关元件。所述第一衬底和/或所述第二衬底还可以包括其他电子元件,包括由诸如硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、金刚石基半导体材料的半导体材料或其他适当的半导体材料制成的其他元件。实施例是电阻器、电容器、电感器、集成电路或其他适当的电子元件。所述衬底可以由多层导热和电绝缘材料(例如,陶瓷)和用于布线的高导电材料(例如,金属)制造。陶瓷的实施例是氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)和氮化硅(Si3N4)。衬底的另一实施例是夹置在两个薄金属层(例如,铜或铝的薄层)之间的Si3N4。通常,在相关领域中,这样的衬底被称为直接敷铜(DirectBondedCopper,DBC)衬底或活性金属键合/钎焊(ActiveMetalBonding/Brazing,AMB)衬底。所述导电层和/或所述互连元件可以由金属(诸如,铜或铝)制成,但是也可由其他金属或其他导电材料制成。可选地,制成所述导电层和/或所述互连元件的材料是良好的热导体,使得所述层和所述互连元件有助于热量朝向热量可以被传导远离半导体功率器件(例如,到散热器的接口)的地方的散布和传导。在此文献的下文中,可以读取“电极”而非读取导电层,然而,应注意,所述导电层不是按照定义被联接到特定的电压或信号,所述导电层也可以是这样的材料的隔离岛。可选地,所述第一衬底包括多个第一接收元件,所述第二衬底包括多个第二接收元件,并且所述互连元件包括多个对准互连元件,所述多个对准互连元件中的每个相应的对准互连元件被所述第一接收元件中的相应的一个部分地接收且被所述第二接收元件中的对应的一个部分地接收,用于对准所述第一衬底相对于所述第二衬底的相对位置。换句话说,存在多个3-元组(3-turples),所述3-元组中的每个包括一个第一接收元件、一个第二接收元件和一个对准互连元件。所述第一衬底上的3-元组的第一接收元件的位置与所述第二衬底上的位置匹配,以获得如下效果:当特定的3-元组的对准互连元件被该3-元组的接收元件至少部分地接收时,所述接收元件和所述对准互连元件的组合提供在x-y维度上的所要求的对准。先前讨论的半导体功率器件包括至少一个这样的3-元组,而此可选实施方案包括多个这样的3-元组。通过设置多个这样的3-元组,对准机构更准确并且更可靠。可选地,所述第一衬底包括至少三个第一接收元件、至少三个第二接收元件和至少三个对准互连元件。换句话说,在先前讨论的可选实施方案中,存在接收元件和对准互连元件的至少两个3-元组,而此可选实施方案提供了至少三个这样的3-元组。这至少在z维度上导致所述第一衬底相对于所述第二衬底的稳定定位。可以用桌子进行比喻:当桌子具有至少三条腿时,桌子可以被定位在地面上的稳定位置中,而具有两条腿的桌子会翻倒。可选地,所述第一接收元件和所述第二接收元件中的至少一个分别是所述第一导电层和所述第二导电层中的一个中的孔或凹口。可以相对容易地制造孔或凹口。此外,当所述接收元件是孔或凹口时,所述接收元件不需要附加的部件,从而节省了成本。此外,当仅在所述导电层中形成所述孔或凹口时,所述孔或凹口不延伸到所述第一衬底和所述第二衬底中,这在大多数现代电子电路中是有利的,因为若干个电气连接被设置在衬底内部,换句话说,设置在衬底内的其他电气连接不会被损坏或不需要被设计成围绕所述孔或凹口。此外,孔或凹口可以相对容易地部分地接收特定对准互连元件的一部分。例如,当所述对准互连元件具有球形或是卵形的时,则它将被所述导电层中的、具有用于部分地接收这样的对准互连元件的适当尺寸的孔来自动部分地接收。可选地,所述第一接收元件被电联接到所述第一导电层中的一个。可选地,所述第二接收元件被电联接到所述第二导电层中的一个。可选地,所述对准互连元件被电联接到所述接收元件。除了提供良好的对准之外,所述对准互连元件可以具有电导体的作用,以提供所述第一衬底和所述第二衬底之间的电气连接。为了实现此作用,所述互连对准元件可以被电联接到接收元件,所述接收元件可以被电联接到衬底的导电层。当所述接收元件是设置在所述衬底上的单独的元件时,所述接收元件还可以被电联接到所述导电层,以提供所述对准互连元件和所述导电层之间的电气连接。所述接收元件和所述互连元件可以分别被附接(例如,被焊接)到所述导电层和所述接收元件,所述接收元件和所述互连元件还可以分别与所述导电层和所述接收元件直接物理接触。应注意,所述接收元件可以是所述导电层中的孔,并且所述对准互连元件可以是球形物体。当所述球形物体被部分地设置在所述孔中时,所述球形物体可以触碰所述孔的边缘,从而获得导电联接。此外,由所述孔部分地接收的球形物体可以被附接(例如,被焊接)到所述导电层。可选地,所述第一接收元件被热联接到所述第一导电层中的一个。可选地,所述第二接收元件被热联接到所述第二导电层中的一个。可选地,所述互连对准元件被热联接到所述接收元件。除了提供良好的对准之外,所述对准互连元件可以具有作为热导体的作用,以使热量远离所述第一衬底传导到所述第二衬底或远离所述第二衬底传导到所述第一衬底(并且可选地,进一步传导到接口,例如散热器)。可选地,所述多个互连元件包括至少两个彼此具有不同的深度的互连元件,并且所述深度适于其间布置有所述互连元件的所述导电层之间的距离,所述深度是在所述互连元件的位置处、在从所述第一衬底到所述第二衬底的最短的线的方向上测量的。在此可选实施方案中,至少两个互连元件具有不同的深度。这两个互连元件可以是所述对准互连元件,但是也可以是在所述第一衬底相对于所述第二衬底的对准中未起作用的两个互连元件。在理想的半导体功率器件中,所述互连元件与所述衬底的所述导电层具有非常良好的接触,并且这可以通过使所述互连元件的尺寸/深度适配至所述第一衬底和所述第二衬底之间的、布置有相应互连元件的位置处的距离来实现。此外,所述互连元件可以被附接(例如,焊接)到所述导电层,从而增加电气连接的横切面积。尽管在许多实际应用中,似乎第一衬底被布置成平行于第二衬底,但是所述第一衬底和所述第二衬底之间的距离可以以几微米的量级显著变化。例如,所述第一衬底和/或所述第二衬底可能经受翘曲,并且当所述互连元件的深度未适配至那些距离变化时,这可能立即导致非最佳电气连接。它甚至可能导致开路而不是连接。此外,所述第一衬底和/或所述第二衬底经受制造公差,所述制造公差导致例如所述衬底的变化的厚度和/或非平坦的表面。所述导电层也可能具有不均匀的厚度,例如,作为不同量的蚀刻或其他制造公差的结果。此外,所述导电层可以通过例如将所述导电层粘附到所述衬底的特定材料而被附接到所述衬底,并且此特定材料的量也可能沿着所述衬底的表面变化。另外,一些电气元件(诸如,开关半导体元件,但是也可以是诸如电阻器的无源元件)可能具有表面电极,互连元件提供至所述表面电极的电气连接,并且那些电元件具有一定的厚度,当选择与那些电气元件接触的互连元件的特定深度时必须将所述厚度纳入考虑。在半导体功率器件的实际组装方法中,首先,测量或确定所述第一衬底将如何相对于所述第二衬底精确地对准,假设一个对准互连元件或多个对准互连元件被设置在它的位置/它们的位置处。随后,在所述互连元件的每一所要求的位置处,测量或确定所述导电层之间的距离,相应的互连元件必须被定位在所述导电层之间。此后,根据所测量或确定的距离来选择不同的互连元件,并且将这些不同的互连元件布置在它们的所要求的位置处。可选地,所述对准互连元件的形状是球体、矩形盒、立方体、矩形长方体、圆柱体、管、卵、橄榄球、菱形球和菱形中的一个。当与具有能够部分地接收所述对准互连元件的对应形状的接收元件组合使用时,这些形状提供良好的对准特性。可选地,并非对准互连元件的互连元件也可以具有球体、矩形盒、立方体、矩形长方体、圆柱体、管、卵、橄榄球、菱形球和菱形中的一个的形状。可选地,不同的互连元件和/或不同的对准互连元件也可以具有选自球体、矩形盒、立方体、矩形长方体、圆柱体、管、卵、橄榄球、菱形球和菱形中的一个的不同形状。可选地,所述接收元件是所述导电层中的相应的一个导电层中的孔,并且所述对准互连元件是球体。所述球体的半径大于所述孔的半径。当在所述导电层中形成孔并且所述孔具有的半径小于球形对准互连元件的半径时,当所述球形对准互连元件被搁放在所述孔中/上时或当所述孔被搁放在所述球形对准互连元件中/上时,在重力的影响下,所述孔将在一个固定位置处自动地部分地接收所述球形对准互连元件。然后,通过在x方向或y方向上施加相当大的力可以使所述对准互连元件仅在x方向或y方向上移动,从而所述对准互连元件的位置相对所述接收元件的位置相对地很好地固定。因此,所述对准是纯粹基于机械效应/物理效应而几乎自动很好地自执行的。此外,所述孔的边缘将触碰所述球形对准互连元件,从而提供所述对准互连元件和所述导电层之间的良好电接触(假设所述对准互连元件也是导电的)。应注意,不是对准互连元件的互连元件也可以具有球形形状。当所述孔的半径相对于所述球形对准互连元件的预见半径相对小时,具有不同半径的宽范围的球形对准互连元件可以与相对小的孔组合使用。例如,所述孔的预见半径大约是所述对准互连元件的预见半径的一半。这提供了在组装半导体功率器件时使用不同的球形对准互连元件的自由度。例如,可以选择所述对准互连元件的特定半径,以获得所述第一衬底和所述第二衬底之间的特定距离。所述对准互连元件的半径也可能受到所述第一衬底或所述第二衬底的可能翘曲或导电层的变化的厚度或其他制造公差的影响。当所述对准互连元件是卵、橄榄球或菱形并且具有的“半径”(在所述第一衬底和第二衬底的中间所测量的)大于所述孔的半径时,获得了相同的效应。可选地,与所述孔的半径比较,所述球体的半径相对较大,特别是当所述孔并非非常深时。所述孔的半径足够小,以确保当所述球体被定位在所述孔中时,所述球体不触碰所述孔的整个底部并且与所述孔的边缘接触。例如,所述球体的半径是所述孔的半径的1.3到2.5倍。可选地,所述第二衬底包括一个半导体元件。所述半导体元件也可以是开关半导体元件,开关半导体元件的实施例在先前讨论过,但是也可以是无源半导体元件,如二极管或甚至由半导体材料制成的电阻器。所述第一衬底和/或所述第二衬底还可以包括其他电气部件,如电阻器、电感器或电容器。所述半导体元件也可以是集成电路。可选地,一个或多个第一导电层被布置在所述第一表面上或所述第一表面处。可选地,一个或多个第一导电层被布置在所述开关半导体元件的、背向所述第一衬底的表面上或表面处。可选地,一个或多个第二导电层被布置在所述第二表面上或所述第二表面处。可选地,一个或多个第二导电层被布置在所述半导体元件的表面上或表面处。应注意,某种其他材料可以存在于所述导电层和所述衬底、开关半导体元件或半导体元件之间,这样的另一种材料的一个实施例是一种胶水、凝胶、环氧树脂或钎焊。设置在所述开关半导体元件的一个表面上或设置在另一电气部件的一个表面上的导电层也可以被称为“表面电极”。根据本发明的另一方面,提供一种组装功率半导体器件的方法。所述方法包括:i)获得第一衬底,所述第一衬底包括一个开关半导体元件,所述第一衬底具有第一表面并且局部地包括第一导电层和第一接收元件,所述开关半导体元件被设置在所述第一表面上,ii)获得第二衬底,所述第二衬底包括面向所述第一表面的第二表面,所述第二衬底包括第二接收元件并且局部地包括第二导电层,iv)获得一个对准互连元件,v)将所述对准互连元件设置到所述第一接收元件和第二接收元件中的一个,以影响所述接收元件对所述对准互连元件的部分接收;vi)将所述对准互连元件设置到所述第一接收元件和所述第二接收元件中的一个,以影响所述接收元件对所述对准互连元件的部分接收。根据本发明的以上方面的方法提供了与根据本发明的第一方面的功率半导体器件相同的益处,并且具有与该系统的对应实施方案类似效果的类似实施方案。因此,所述方法是制造功率半导体器件的有效率且有效的方法,其中所述第一衬底相对于所述第二衬底很好地对准。特别地,并且如之前所讨论的,所述接收元件和所述对准互连元件提供一种有效的机械装置来确保所述第一衬底和所述第二衬底之间的对准是准确的(假设所述接收元件被设置在正确位置处)。在将所述导电对准互连元件紧固到所述第一接收元件和所述第二接收元件中的另一个的阶段,不需要附加的传感器和/或致动器来确保所述第二衬底相对于所述第一衬底的正确定位:所述接收元件对所述对准互连元件的部分接收自动地确保正确对准。即使预对准是相对弱的,此机构也确保了这是朝向最终的正确对准进行自校正。在所述方法中,获得所述第一衬底和所述第二衬底。在一个可选实施方案中,获得所述第一衬底和/或获得所述第二衬底包括制造所述第一衬底和/或所述第二衬底。可选地,组装功率半导体器件的方法还包括:a)获得描述所述第一衬底相对于所述第二衬底的所要求的定位的数据,b)测量所述第一接收元件的特性和所述第二接收元件的特性,c)基于所获得的数据和所测量的特性来确定对准互连元件的特性,并且其中在获得所述对准互连元件的阶段,基于所确定的特性来获得所述对准互连元件。所获得的用于描述所述第一衬底相对于所述第二衬底的所要求的定位的数据可以包括所述第一衬底和所述第二衬底之间的所要求的距离,但是可以包括更多信息,如在特定位置处所述衬底之间的距离必须是特定值,并且在另一特定位置,所述衬底之间的距离必须是另一特定值。在测量所述第一接收元件的特性和所述第二接收元件的特性的阶段,例如,确定了相应的接收元件的形状。当所述接收元件是某种突出部时,其他特性可以是所述接收元件突出离开所述衬底的表面的距离。测量特性还可以包括确定所述接收元件的精确位置。在确定所述对准互连元件的特性的阶段,确保了当所获得的对准互连元件具有确定的特性并且被所述第一接收元件至少部分地接收且被所述第二接收元件部分地接收时,所述第一衬底相对于所述第二衬底如在所要求的数据中所描述的那样定位,换句话说,所述第一衬底相对于所述第二衬底很好地对准。例如,在此阶段,选择所述对准互连元件的形状和/或选择所述对准互连元件的长度/深度。例如,当可用的对准互连元件是球体并且所述接收元件是孔时,为球形对准互连元件选择特定的半径。在一个具体实施方案中,例如当在所述第一衬底相对于所述第二衬底如所获得的数据中描述的那样定位时所述接收元件彼此未精确地相对时,可以在确定所述对准互连元件的特性时,选择一种特定形状,所述特定形状使得尽管所述接收元件彼此未精确地相对,但是仍然导致良好对准。将所述对准互连元件设置到所述接收元件中的一个的阶段意味着使所述对准互连元件与该接收元件接触,使得所述对准互连元件被该接收元件部分地接收。这可以通过简单地将所述对准互连元件搁放在所述接收元件上或将所述接收元件搁放在所述对准互连元件上,并且使用重力使所述对准互连元件或所述接收元件移动到对准互连元件被所述接收元件部分地接收这样的位置来实现。在具体实施方案中,它可以包括提供力以确保所述对准互连元件被所述接收元件部分地接收。在所述方法中使用的对准互连元件可以由导电材料制造。可选地,将所述导电对准互连元件设置到所述接收元件的所述阶段中的至少一个包括以下中的一个:i)将所述导电对准互连元件焊接到所述接收元件,以及ii)将所述导电对准互连元件烧结到所述接收元件。通过使用这些紧固技术中的一种,确保获得从所述接收元件到所述对准互连元件的良好电气连接和/或良好热路径。可选地,当所述接收元件是孔或凹口时,测量所述第一接收元件的特性和所述第二接收元件的特性的阶段包括确定所述接收元件的半径和确定所述接收元件的深度中的至少一个,所述第一接收元件的半径是在大体上平行于所述第一表面的平面中测量的,所述第二接收元件的半径是在大体上平行于所述第二表面的平面中测量的,所述第一接收元件的深度是在大体上垂直于所述第一表面的平面中测量的,所述第二接收元件的深度是在大体上垂直于所述第二表面的平面中测量的。应注意,所述孔或凹口可以仅延伸到所述导电层中,或可以延伸到所述衬底中,或可以延伸到所述导电层和所述衬底的组合中。本发明的这些和其他方面从在下文中描述的实施方案是明显的并且将参考在下文中描述的实施方案得以阐明。本领域技术人员将理解,本发明的上文提及的选项、实施方式和/或方面中的两个或更多个可以以被认为有用的任何方式组合。本领域技术人员可以基于本描述来执行与所述器件的所描述的修改和变化对应的所述器件的和/或所述方法的修改或变化。附图说明在附图中:图1以分解视图示意性地示出了半导体功率器件的一个实施方案,图2a示意性地示出了图1的半导体功率器件的实施方案的、沿着穿过线II-II’并且垂直于第一衬底的平面的横截面视图,图2b示意性地示出了半导体功率器件的另一实施方案的横截面视图,图3a示意性地示出了第二衬底的一个实施方案的视图,图3b示意性地示出了第一衬底的一个实施方案的视图,图4示意性地示出了半导体器件的一个实施方案的视图,以及图5示意性地示出了组装功率半导体器件的方法。应注意,在不同的图中由相同的附图标记表示的项具有相同的结构特征和相同的功能,或是相同的信号。在已经解释了这样的项的功能和/或结构的情况下,没有必要在在具体实施方式中对其进行重复解释。这些图纯粹是图解性的,而非按比例绘制。特别是为了清楚起见,一些尺寸被极力放大。具体实施方式图1以分解视图示意性地示出了半导体功率器件100的一个实施方案。该半导体功率器件包括第一衬底140、第二衬底110和互连结构。第一衬底140具有第一表面141,在第一表面141上设置了开关半导体元件144。该第一衬底还包括第一导电层142、146。第一衬底140还包括第一接收元件150,该第一接收元件150在此具体实施方案中是第一导电层中的一个第一导电层146中的孔150。第二衬底110具有面向第一表面141的第二表面111,并且包括设置在该第二表面上的第二导电层112、116。第二衬底110还包括第二接收元件120,该第二接收元件120在此具体实施方案中是第二导电层中的一个第二导电层116中的孔。该互连结构提供第一导电层142、146中的一个第一导电层和第二导电层112、116中的一个第二导电层之间的至少一个电气连接。在图1的实施例中,提供了两个电气连接:一个电气连接在第一导电层142和第二导电层112之间,一个电气连接在第一导电层146和第二导电层116之间。该互连结构包括互连元件130、132,所述互连元件130、132中的一个是对准互连元件130。在图1的实施例中,互连元件132和对准互连元件130是由导电材料(例如,铜)制成的球体。互连元件132置于第一导电层142和第二导电层112之间。对准互连元件130由第一接收元件150至少部分地接收并且由第二接收元件120至少部分地接收。在图1中看到,第一接收元件150的半径和第二接收元件120的半径小于对准互连元件130的半径。这意味着,当使球形对准互连元件130与相应的接收元件120、150接触时,球形对准互连元件130的一部分由形成相应的接收元件120、150的孔接收。球形对准互连元件130的一小部分突出到相应的导电层116、146中的孔120、150中,这意味着,球形对准互连元件130不能够滚动到第一表面141和/或第二表面111上的另一个位置,因此使第一衬底140的相对位置相对于第二衬底110的相对位置固定。开关半导体元件144可以是晶体管、场效应晶体管(FET)、MOS场效应晶体管(MOSFET)、晶闸管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或其他适当类型的半导体开关元件。应注意,第一衬底140和/或第二衬底110还可以包括其他电子元件,包括由诸如硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、金刚石基半导体材料的半导体材料或其他适当的半导体材料制成的其他元件。其他电子元件的实施例是二极管、电阻器、电容器、电感器、集成电路或其他适当的电子元件。衬底110、140可以由多层导热和电绝缘材料(例如,陶瓷)和用于布线的高导电材料(例如,金属)制造。陶瓷的实施例是氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)。衬底的另一实施例是夹置在两个薄金属层(例如,铜或铝的薄层)之间的Si3N4。通常,在相关领域中,这样的衬底被称为直接敷铜法(DBC)衬底或活性金属键合/钎焊(AMB)衬底。合适的衬底被描述于ManfredGoetz等人的论文“ComparisonofSiliconNitrideDBCandAMBSubstratesfordifferentapplicationsinpowerelectronics”中,第57-65页,PCIM欧洲会议,纽伦堡,2013年5月14-16日,由VDEVerlag出版,柏林。导电层112、116、142、146和/或互连元件130、132可以由诸如铜、铝的金属制成、由其他金属制成或由其他导电材料制成。可选地,制成导电层112、116、142、146和/或互连元件130、132的材料是良好的热导体,使得所述层112、116、142、146和所述互连元件130、132有助于热量朝向可以传导热量远离半导体功率器件100(例如,到散热器的接口)的地方(未示出)的散布和传导。可以读取“电极”而非导电层112、116、142、146。然而,将注意到,导电层112、116、142、146不是按照定义被联接到特定的电压或信号。因此,导电层112、116、142、146可以是设置在第一表面111或第二表面141上的隔离岛。它们还可以被电气连接到半导体功率器件100的其他部件,诸如开关半导体元件。这可以通过设置在第一表面或第二表面上的附加导电层(未示出)来实现,和/或通过设置在衬底的内部的附加电气连接(未示出)来实现,和/或通过设置在第一衬底140和第二衬底110的、背向所述两个衬底110、140之间的间隙的表面处的附加导电层(未示出)来实现,和/或穿过所述衬底的导电通孔来实现。在图1的实施例中,半导体功率器件100被设置有单个对准互连元件130。然而,可以设置两个、三个或更多个对准互连元件,每个对准互连元件连同一个联接到第一衬底的接收元件和一个联接到第二衬底的接收元件一起设置。在所有以下实施例中,其中绘制且讨论了仅一个或两个对准互连元件(和对应的接收元件),技术人员可以设置多于一个或两个这些对准互连元件(连同对应的接收元件一起)。特别要注意的是,使用三个(或更多个)对准互连元件导致第二衬底110相对于第一衬底140的稳定定位。对准互连元件130的材料以及互连元件132的材料可以是诸如铜或铝的导电材料。在图1的实施例中,对准互连元件130由相应的导电层116、146中的孔120、150部分地接收。这意味着,对准互连元件130触碰孔120、150的、由相应的导电层116、146的材料所形成的边缘。因此,在对准互连元件130和相应的导电层116、146之间存在电气连接。为了改善电气连接(和/或更好地固定对准互连元件130的位置),对准互连元件130可以通过焊料(未示出)或任何其他适当的紧固材料(未示出)或紧固方法紧固到相应的导电层116、146。这样的附加紧固材料的使用也可以适用于互连元件132与它的相应的导电层112、142之间的接触。还注意到,互连元件132至少与它的相应的导电层112、142接触,使得它们之间也存在电气连接。对准互连元件130的材料和互连元件132的材料也可以是导热的,使得可以使热量远离例如第一衬底140传输到第二衬底110。热量可以在开关半导体元件144中生成。铜也是良好的热导体。通过将对准互连元件130焊接到相应的导电层116、146,可以增加经由对准互连元件130所传输的热量的量。用于互连结构的元件的材料的这些可选选择也适用于在下文中讨论的实施例的对准互连元件和互连元件。如在下文中将讨论的,第一衬底140和/或第二衬底110可以被设置有散热器(未示出),其形成至环境的热量传递接口。互连元件132和对准互连元件130的形状是球体。互连元件132和对准互连元件130的实施方案不限于这些形状。其他可能的形状是:矩形盒、立方体、矩形长方体、圆柱体、管、卵、橄榄球、菱形球和菱形。接收元件120、150是图1的实施例中的孔,但是接收元件120、150的实施方案不限于这样的形状。能够接收对准互连元件的一部分从而使对准互连元件相对于接收元件的相对位置固定的每一个形状都是合适的形状。例如,当对准互连元件具有圆柱形形状时,所述圆柱形形状的一部分可以由孔或凹口接收,而且可以由从衬底的表面延伸的中空圆柱接收。尽管在图1中未明确地示出,但是第一衬底140和/或第二衬底110可以包括附加的电气部件,诸如附加的有源半导体元件(例如,晶体管或任何其他类型的开关半导体元件)、附加的无源半导体元件(例如,二极管或基于半导体材料的电阻器)和/或其他无源电气部件(例如,电阻器、电容器和/或电感器)。图2a示意性地示出了图1的半导体功率器件100的实施方案、沿着垂直于第一衬底140并且穿过线II-II’的平面的横截面视图。半导体功率器件100包括第一衬底140、第二衬底110和互连结构。第一衬底140具有第一表面141,包括设置在第一表面141上的第一导电层142、146,并且包括设置在第一表面141上的开关半导体元件144。第二衬底110包括面向第一表面141的第二表面111。第二衬底100包括设置在第二表面111上的第二导电层112、116。第一导电层146和第二导电层116二者都包括接收元件120、150,所述接收元件120、150呈孔的形式且在相应的导电层116、146中。该互连结构包括对准互连元件130,该对准互连元件130是金属球体且由相应的导电层116、146中的、形成接收元件120、150的孔部分地接收。该互连结构还包括置于第一导电层142和第二导电层112之间的互连元件132。对准互连元件130以及互连元件132分别提供了特定的第一导电层142、146和特定的第二导电层112、116之间的电气连接。例如,接收元件120、150是圆形孔。在图2a中,已经指示了圆形接收元件150的半径r1。接收元件120的半径大约等于接收元件150的半径r1。对准互连元件130是球体并且其半径r2在图2a中被指示。圆形接收元件120、150的相应的半径r1小于球形对准互连元件130的半径r2。应注意,接收元件120的半径以类似的方式与球形对准互连元件130的半径r2相关。典型的实施例是:导电层是大约300μm厚,形成接收元件150的孔的半径r1是1mm,并且球形对准互连元件的半径r2为1.6mm。在一个实施方案中,取决于形成接收元件150的孔的深度,接收元件150的半径r1比球形对准互连元件130的半径r2相对小,使得球形对准互连元件130不触碰形成接收元件150的孔的底部并且在导电层的顶部处触碰整个边缘。图2b示意性地示出了半导体功率器件200的另一实施方案的横截面视图。半导体功率器件200包括第一衬底240、第二衬底210和互连结构。第一衬底240包括第一表面241、开关半导体元件244和第一导电层246、242。开关半导体元件244被设置在第一表面241上,并且一个特定的第一导电层246被设置在第一表面241上。另一第一导电层242被设置在开关半导体元件244的、背向第一衬底240的表面上。第一衬底240还包括第一接收元件250,该第一接收元件250远离第一导电层246突出并且具有的凹口与菱形元件的形状匹配。第二衬底210具有面向第一表面241的第二表面211。第一衬底240还被联接到(可选的)散热器298,散热器298在第一衬底210的、背向第一表面241的表面处热联接到第一衬底240。第二衬底210具有第二导电层212并且可选地具有另一第二导电层216。第二衬底210还包括第二接收元件220。第二接收元件220远离第二表面211突出并且具有的凹口与菱形元件的形状匹配。图2b的半导体功率器件的互连结构包括球形互连元件232,该球形互连元件232通过附接接头299电联接和热联接到第一导电层242和第二导电层212。附接接头299可以由焊料、胶水、环氧树脂形成,或可以是通过烧结工艺形成的陶瓷材料。该互连结构还包括菱形对准互连元件230。菱形对准互连元件230的一个尖端具有与第一接收元件250的凹口的形状对应的形状,并且菱形对准互连元件230的一个相对的尖端具有与第二接收元件220的凹口的形状对应的形状。菱形对准互连元件230的相应的尖端由第一接收元件250的凹口和第二接收元件220的凹口接收。因此,接收元件220、250至少部分地接收菱形对准互连元件230。对菱形对准互连元件230的部分接收导致第一衬底140相对于第二衬底110的位置的对准。在图2b中已经示出,对准互连元件230的形状和尺寸必须适配至接收元件220、250的形状和尺寸。特别地,对准互连元件230的长度(沿着与从第一衬底140到第二衬底110的最短的线平行的线测量的长度)和接收元件250、220远离第一表面141和远离第二表面211突出的量分别确定在z维度上第一衬底240相对于第二衬底210的定位(从而确定衬底210、240之间的距离)。互连元件232的尺寸适配至两个衬底210、240之间的所要求的距离(在z维度上),并且适配于导电层212、242和开关半导体元件244的深度。如图2b中以放大的形式示出的,第二衬底210可能会翘曲。互连元件232的尺寸也适配至第一衬底240和第二衬底210之间的特定距离,且位于互连元件232被设置以使得形成良好电气连接的位置处。在组装半导体功率器件期间,确定(例如,测量)翘曲的量,以确定互连元件232所必须具有的尺寸,从而获得互连结构232和相应的导电层212、242之间的良好接触。从图2b还立即清楚的是,使用了不同尺寸的互连元件,并且当衬底和/或导电层之间的距离变化时必须使用不同尺寸的互连元件。互连元件的尺寸是基于上文讨论的确定来确定的。在一个可选实施方案中,存在至少两个具有不同尺寸的互连元件(二者都不是对准互连元件)。图3a示意性地示出了在半导体功率器件中使用的第二衬底310的一个实施方案的视图。在此视图中,第二衬底310的第二表面311面向查看者。在此第二表面311上设置多个导电层,所述导电层中的一些由数字312...318指示。在所述导电层中设置许多圆形孔(通过填充有黑色的圆圈来绘制),所述圆形孔中的一些由数字320指示。所述圆形孔是用于至少部分地接收对准互连元件的接收元件。图3b示意性地示出了用于在与图3a的第二衬底310相同的半导体功率器件中使用的第一衬底340的一个实施方案的视图。在此视图中,第一衬底340的第一表面341面向查看者。当组装半导体功率器件时,第一表面341必须面向第二衬底310的第二表面311。在第一表面341上设置多个导电层,所述导电层中的一个用数字342指示。当第一衬底340与第二衬底310相对地组装时,导电层342面向第二衬底310的导电层316。所述导电层中的一些被电联接到外部电极381或外部引脚382。当组装半导体功率器件时,外部电极381和外部引脚382用于接收必须由半导体功率器件所控制的功率信号和用于接收和/或提供控制信号。可选地,在第一表面处,开关半导体元件344被直接设置在所述导电层中的一个上。这些开关半导体元件344包括具有导电材料的表面电极。所述表面电极中的中一个用值345指示。所述表面电极被设置在开关半导体元件344的、背向第一表面341的表面上。在图3b中,绘制了填充有黑色的6个圆圈,所述圆圈中的一些用附图标记350指示。6个圆圈表示导电层中的圆形孔,并且它们是用于至少部分地接收对准互连元件的接收元件。当仔细检查图3b和图3a时,可以注意到,第一衬底340的接收元件的位置使得当第一衬底340和第二衬底310被组装成半导体功率器件时,第一衬底340的接收元件与第二衬底310的接收元件相对。尽管未示出,但是对准互连元件可以由第一衬底340的接收元件或第二衬底310的接收元件(至少部分地)接收。在一个实施方案中,适当的对准互连元件是铜球,所述铜球具有的半径比接收元件的半径更大。例如,铜球被放置在第一衬底340的接收元件上,并且可选地,它们被附接(例如,被焊接或被烧结)到设有相应的接收元件的导电层。如果随后在铜球的一部分被第二衬底310的接收元件所接收的位置附近将第二衬底310放置在这些铜球的顶部上,则第二衬底340的接收元件将接收所述铜球的一部分,从而第二衬底310的位置被固定(换句话说:被对准)到第一衬底340的位置。所述铜球也可以被附接(例如,被焊接或被烧结)到其中设有相应的接收元件的第二衬底310的导电层。在图3b的视图中,通过小圆圈绘制了多个互连元件。几个互连元件用附图标记332指示。另外,在开关半导体元件344的顶部上,设置互连元件。在图3b的实施方案中,所述互连元件是球形铜元件,所述球形铜元件可以被附接(例如,被焊接或被烧结)到它们的相应的导电层或它们的相应的表面电极。当第二衬底310被放置在第一衬底的顶部上(并且所述对准互连元件被两个衬底的接收元件部分地接收)时,互连元件触碰设置在第二衬底310的第二表面311处的特定导电层,并且提供第一衬底340和第二衬底310之间的导电和导热连接。可选地,所述互连元件被附接(例如,被焊接或被烧结)到第二衬底310的与所述互连元件接触的导电层。图4示意性地示出了半导体功率器件400的一个实施方案的侧视图。在图3b中,用IV指示的箭头指示查看者的方向,并且指示从哪一侧获得侧视图。半导体功率器件400是经组装的半导体功率器件400,该半导体功率器件400包括图3b的第一衬底340和图3a的第二衬底310。图4的半导体功率器件400包括衬底340、第二衬底310,互连结构包括对准互连元件430和互连元件332、332’以及两个散热片498。如在图3b的上下文中所讨论的,该第二衬底包括外部引脚/触点381、382。在半导体功率器件400中,第一衬底340的第一表面341面向第二衬底310的第二表面311。在第一表面341上设置第一导电层342,该第一导电层342在图4的侧视图中被绘制为第一表面341上的黑线。在第二表面311上设置第二导电层312,该第二导电层312在图4的侧视图中被绘制为第二表面311的黑线。散热片498被设置在第一衬底340的背向第一表面341的表面以及被设置在第二衬底310的背向第二表面311的表面上。散热片498接收来自相应的衬底310、340的热量,并且将此热量提供到半导体功率器件400的环境。在具体的组件中,多个半导体功率器件400可以被集成在更大的组件中,该组件包括例如为散热片498提供主动冷却的装置。互连结构在第一导电层342和第二导电层312之间提供多个电气连接。可以看到,多个互连元件332、332’被附接(例如,被焊接)到相应的导电层342、312。还可以看到,互连元件332’的半径小于互连元件332的半径。这可能是因为互连元件332’位于设置在半导体元件上的电极之间,或者可能是因为在互连元件332’的位置处相应的导电层之间的距离小于在其他位置处的距离。互连结构还包括对准互连元件,所述对准互连元件中的一个特定的对准互连元件430可以在图4中看到。对准互连元件430被第一导电层342中的一个中的孔部分地接收,并且被第二导电层312中的一个中的孔部分地接收。对准互连元件430的半径大于接收对准互连元件430的孔的半径。此外,因为对准互连元件430在相应的导电层中部分地突出,所以对准互连元件430的半径大于其他互连元件332、332’的半径。图5示意性地示出了组装功率半导体器件的方法500。组装功率半导体器件的方法500包括:-获得502第一衬底,所述第一衬底包括一个开关半导体元件,所述第一衬底具有第一表面并且局部地包括第一导电层和第一接收元件,所述开关半导体元件被设置在所述第一表面上,-获得504第二衬底,所述第二衬底包括面向所述第一表面的第二表面,所述第二衬底包括第二接收元件并且局部地包括第二导电层,-获得512一个对准互连元件,-将所述对准互连元件设置514到所述第一接收元件和所述第二接收元件中的一个,以影响由所述接收元件对所述对准互连元件的部分接收,以及-将所述对准互连元件设置516到所述第一接收元件和所述第二接收元件中的另一个,以影响由所述接收元件对所述对准互连元件的部分接收。可选地,方法500还包括以下阶段:-获得506描述所述第一衬底相对于所述第二衬底的所要求的定位的数据,-测量508所述第一接收元件的特性和所述第二接收元件的特性,-基于所获得的数据和所测量的特性来确定510一个对准互连元件的特性,以及获得512一个对准互连元件的阶段是基于确定510所述对准互连元件的特性的阶段的结果(换句话说:所获得的对准互连元件大体上具有确定的特性)。所获得506的用于描述所述第一衬底相对于所述第二衬底的所要求的定位可以包括所述第一衬底和所述第二衬底之间的所要求的距离,但是可以包括更多信息,诸如在一个特定位置处,所述衬底之间的距离必须是一个特定值,并且在另一特定位置处,所述衬底之间的距离必须是另一特定值。在测量508所述第一接收元件的特性和所述第二接收元件的特性的阶段,例如,确定了相应的接收元件的形状。当所述接收元件是某种突出部时,其他特性可以是所述接收元件从衬底的表面突出的距离。测量特性还可以包括确定所述接收元件的精确位置。在确定510所述对准互连元件的特性的阶段,确保了当所获得的对准互连元件具有所确定的特性并且被所述第一接收元件至少部分地接收且被所述第二接收元件部分地接收时,所述第一衬底相对于所述第二衬底以如在所要求的数据中所描述的那样定位,换句话说,所述第一衬底相对于所述第二衬底很好地对准。例如,在此阶段,选择所述对准互连元件的形状和/或所述对准互连元件的长度。例如,当可用的对准互连元件是球体并且所述接收元件是孔时,在此阶段,选择球形对准互连元件的特定半径。在一个具体实施方案中,例如当在所述第一衬底相对于所述第二衬底以如所获得的数据中描述的那样定位时所述接收元件彼此未精确地相对时,可以在确定所述对准互连元件的特性时,选择一种特定形状,所述特定形状使得尽管所述接收元件彼此未精确地相对,但是仍然导致良好对准。将所述对准互连元件设置514、516到所述接收元件中的一个的阶段意味着使所述对准互连元件与所述接收元件接触,使得它被所述接收元件部分地接收。这可以通过以下方式实现:将所述对准互连元件放置在所述接收元件上,或将所述接收元件放置在所述对准互连元件上,并且使用重力来使所述对准互连元件或所述接收元件移动到对准互连元件被所述接收元件部分地接收这一位置。在具体实施方案中,它可以包括提供力来确保所述对准互连元件被所述接收元件部分地接收。在一个实施方案中,将所述对准互连元件设置514到所述第一接收元件和所述第二接收元件中的一个的阶段包括将所述对准互连元件焊接534到所述接收元件,或包括将所述对准互连元件烧结536到所述接收元件。通常,在此阶段,所述对准互连元件被附接到所述接收元件。在一个实施方案中,将所述对准互连元件设置516到所述第一接收元件和所述第二接收元件中的一个的阶段包括将所述对准互连元件焊接538到所述接收元件,或包括将所述对准互连元件烧结540到所述接收元件。通常,在此阶段,所述对准互连元件被附接到所述接收元件。在一个实施方案中,当所述接收元件是孔或凹口时,测量508所述第一接收元件的特性和所述第二接收元件的特性的阶段包括确定538所述接收元件的半径和确定540所述接收元件的深度中的至少一个,所述第一接收元件的半径是在大体上平行于所述第一表面的平面中测量的,所述第二接收元件的半径是在大体上平行于所述第二表面的平面中测量的,所述第一接收元件的深度是在大体上垂直于所述第一表面的平面中测量的,所述第二接收元件的深度是在大体上垂直于所述第二表面的平面中测量的。在一个实施方案中,获得502第一衬底的阶段包括制造或组装542所述第一衬底。制造或组装542可以包括将所述第一导电层和所述开关半导体元件设置在所述第一表面上以及将第一接收元件设置在所述第一衬底上。在一个实施方案中,获得504第二衬底的阶段包括制造或组装544所述第二衬底。制造或组装544可以包括将所述第二导电层设置在所述第二表面上以及将所述第二接收元件设置在所述第二衬底上。在图5中,以一特定顺序呈现了所述方法的各个阶段。所述方法不限于所述方法的各个阶段的示出顺序。到目前为止,特定阶段不直接依赖于彼此,它们可以以另一顺序执行和/或它们可以并行执行。应注意,上文提及的实施方案例示而非限制本发明,并且在不脱离所附权利要求的范围的前提下,本领域技术人员将能够设计许多替代实施方案。在权利要求中,放置在括号之间的任何参考标记不应被解释为限制权利要求。使用动词“包括”以及其动词变化不排除除了权利要求中阐明的元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件之前的冠词“一个”或“一”不排除多个这样的元件的存在。本发明可以通过包括几个不同元件的硬件来实施。在列举了若干装置的设备权利要求中,这些装置中的几个可以由同一个硬件物件实施。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施这一事实并不指示这些措施的组合不能够被有利地使用。...
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