功率半导体部件与基底经烧结彼此连接的压力烧结方法与流程

本发明涉及一种压力烧结方法，在该压力烧结方法中，使用烧结连接使功率半导体部件与基底彼此连接。

背景技术：

de102015120156a1公开了一种压力烧结方法，在该压力烧结方法中，功率半导体部件与基底使用烧结连接而彼此连接。在所述方法中，将具有导体轨道且上面布置有功率半导体部件的基底在待烧结的材料被布置在功率半导体部件和导体轨道之间的情况下放置在烧结压机的压力配对件上。随后是沿着压力配对件的方向利用烧结压机的压力印模(pressurestamp)对功率半导体部件加压并且对烧结材料施用温度处理，其中在这样做时，烧结材料被转变成烧结金属，从而形成功率半导体部件与基底的烧结连接。由于基底、特别是基底的非导电性绝缘层(例如陶瓷板)的热膨胀系数与烧结金属和功率半导体部件的热膨胀系数不同，同时由于硬化阶段期间在这些部件之间出现机械应力，所以可能在基底中在基底的背对功率半导体部件的那一侧上在基底的绝缘层的法线方向上与功率半导体部件齐平地形成凹形区域，使得基底的背对功率半导体部件的那一侧不再平坦。为了生产功率半导体器件，基底的背对功率半导体部件的那一侧被布置在基板上或热沉上。凹形区域增加了基底与基板或热沉的热接触电阻，这在技术上是不期望的，因为它导致功率半导体部件的冷却较不有效。

技术实现要素：

本发明的目的是指明一种压力烧结方法，其中能够使用烧结连接使功率半导体部件与基底连接彼此，其中基底相对于功率半导体部件的相反侧被这样设计，即：使得该相反侧能够在与金属基板或热沉的热接触电阻低的情况下被布置在基板或热沉上。

这个目的通过一种具有以下接连步骤的压力烧结方法来实现：

a)提供烧结部件布置，该烧结部件布置具有：工件载体，该工件载体具有凹部；基底，该基底搁置在工件载体的主表面上，并且该基底具有非导电性绝缘层，在该非导电性绝缘层的背对工件载体的第一主侧上布置有金属化层，该金属化层被结构化而形成导体轨道；功率半导体部件，该功率半导体部件被布置在导体轨道上，其中待烧结的烧结材料被布置在功率半导体部件和导体轨道之间，其中第一功率半导体部件和基底的第一区域被布置成在绝缘层的第一主侧的法线方向上处在工件载体的上方且与工件载体的第一凹部齐平，并且第二功率半导体部件和基底的第二区域被布置成在绝缘层的第一主侧的法线方向上处在工件载体的上方且与工件载体的第二凹部齐平，

b)在工件载体的方向上对功率半导体部件加压并且对烧结材料施用温度处理，其中基底的第一区域的一部分被压入到第一凹部中，并且基底的第二区域的一部分被压入到第二凹部中，并且烧结材料被转变成烧结金属。

根据其它实施例获得本发明的其它构造和扩展。

证明是有利的是，在方法步骤a)中，烧结部件布置的所有功率半导体部件被布置成在绝缘层的第一主侧的法线方向上处在工件载体的上方且分别与工件载体的和相应的功率半导体部件相关联的相应的凹部齐平，并且基底的相应的区域被布置成在绝缘层的第一主侧的法线方向上处在工件载体的上方且与工件载体的相应的凹部齐平，并且在方法步骤b)中，基底的这个特定区域的一部分被压入到相应的凹部中，这是因为烧结部件布置的所有功率半导体部件于是可以联接到具有高热导率的金属基板或热沉。

还证明是有利的是，在方法步骤a)中，工件载体的界定相应的凹部的表面具有凹形轮廓，这是因为，这样的话，当基底的第一区域的一部分被压入到第一凹部中并且基底的第二区域的一部分被压入到第二凹部中时，在基底中发生裂纹的风险是非常低的。

还证明是有利的是，工件载体的在从工件载体的在方法步骤a)中在上面搁置基底的主表面到工件载体的界定相应的凹部的表面的相应的过渡部处的表面的轮廓是连续可微分的，这是因为，这样的话，当基底的第一区域的一部分被压入到第一凹部中并且基底的第二区域的一部分被压入到第二凹部中时，降低了在基底中发生裂纹的风险。

另外，证明是有利的是，在方法步骤a)中，相应的凹部具有最大深度所处的位置被布置成在绝缘层的第一主侧的法线方向上与相应的功率半导体部件的中央区域齐平，这是因为，这样的话，基底的在方法步骤b)中形成的隆起区域具有与相应的功率半导体部件的中央区域齐平的在绝缘层的第一主侧的法线方向上的其最大高度。

还证明是有利的是，相应的凹部的最大深度是20μm至150μm、特别是40μm至120μm，这是因为基底的背对功率半导体部件的那一侧于是被这样形成，即：使得基底的背对功率半导体部件的那一侧能够在相对于金属基板或热沉的热接触电阻特别低的情况下被布置在基板或热沉上。

另外，证明是有利的是，在方法步骤a)中，被投影到由相应的凹部的边沿包围的虚拟表面(其法线方向与绝缘层的第一主侧的法线方向一致)上的相应的功率半导体部件的面对相应的凹部的主表面在绝缘层的第一主侧的法线方向上位于虚拟表面内，这是因为，基底的背对功率半导体部件的那一侧于是被设计成使得基底的背对功率半导体部件的那一侧能够在相对于金属基板或热沉的热接触电阻特别低的情况下被布置在基板或热沉上。

在这个背景下，证明是有利的是，被投影到相应的凹部的边沿上的相应的功率半导体部件的面对相应的凹部的主表面的拐角部在绝缘层的第一主侧的法线方向上位于相应的凹部的边沿上，这是因为，相应的凹部的开口的尺寸于是与相应的功率半导体部件的尺寸相匹配。

另外，证明是有利的是，在方法步骤a)中，被投影到相应的功率半导体元件的主表面上的、由相应的凹部的边沿包围的虚拟表面(其法线方向与绝缘层的第一主侧的法线方向一致)在绝缘层的第一主侧的法线方向上位于相应的功率半导体元件的所述主表面内，这是因为基底的背对功率半导体部件的那一侧于是被这样形成，即：使得基底的背对功率半导体部件的那一侧能够在相对于金属基板或热沉的热接触电阻特别低的情况下被布置在基板或热沉上。

另外，证明是有利的是，在方法步骤a)中，在功率半导体部件中的至少一个功率半导体部件中，该至少一个功率半导体部件的面对相应的凹部的主表面具有方形形状，其中由与该至少一个功率半导体部件相关联的凹部的边沿包围的虚拟表面(其法线方向与绝缘层的第一主侧的法线方向一致)具有圆形形状，这是因为凹部的开口的形状于是与功率半导体部件的形状相匹配，使得在烧结之后，基底的隆起区域能够随着部件的冷却而容易地消失。

另外，证明是有利的是，在方法步骤a)中，在功率半导体部件中的至少一个功率半导体部件中，该至少一个功率半导体部件的面对相应的凹部的主表面具有矩形形状，其中由与该至少一个功率半导体部件相关联的凹部的边沿包围的虚拟表面(其法线方向与绝缘层的第一主侧的法线方向一致)具有椭圆形形状，这是因为凹部的开口的形状于是与功率半导体部件的形状相匹配，使得在烧结之后，基底的隆起区域能够随着部件的冷却而容易地消失。

还证明是有利的是，在方法步骤a)中，与相应的功率半导体部件相关联的凹部的边沿在相应的功率半导体部件的非拐角部区域处平行于相应的功率半导体部件的边沿边缘延伸，其中在相应的功率半导体部件的拐角部区域处，与相应的功率半导体部件相关联的凹部的边沿具有弯曲轮廓，这是因为凹部的开口的形状于是与功率半导体部件的形状相匹配，使得在烧结之后，基底的隆起区域能够随着部件的冷却而容易地恢复其形状。

在这个背景下，证明是有利的是，在方法步骤a)中，与相应的功率半导体部件相关联的凹部的边沿在与绝缘层的第一主侧的法线方向垂直的方向上与相应的功率半导体部件的边沿边缘间隔开，其中凹部的边沿被布置成在与绝缘层的第一主侧的法线方向垂直的方向上比相应的功率半导体部件的边沿边缘更靠近或更远离相应的功率半导体部件的中央区域在绝缘层的第一主侧的法线方向上延伸的投影。

还证明是有利的是，在方法步骤a)中，工件载体具有至少一个止挡装置，该止挡装置阻碍基底在与绝缘层的第一主侧的法线方向垂直的方向上的移动。这有助于基底在工件载体上的准确定位，并且在功率半导体部件的加压期间，这显著降低了基底在与绝缘层的第一主侧的法线方向垂直的方向上相对于工件载体移位的风险。

证明是另外有利的是，在方法步骤a)和方法步骤b)之间，在方法步骤a')中，烧结部件布置被布置在烧结压机的压力配对件上，并且在方法步骤b)中，通过烧结压机的能够在压力配对件的方向上移动的压力印模，在工件载体的方向上对功率半导体部件加压。这实现了通过相应的烧结连接而使功率半导体部件以材料结合且导电的方式连接到基底的导体轨道的合理的生产工艺。

附图说明

下面参考以下列出的附图来描述本发明的示例。附图示出：

图1是在烧结压机将压力施加到烧结部件布置的功率半导体部件之前的状态下的布置在烧结压机中的烧结部件布置的截面视图，

图2是在由烧结压机对功率半导体部件加压期间的在烧结压机的压力配对件上的烧结部件布置的截面视图，

图3是烧结部件布置的平面视图，

图4是另一个烧结部件布置的平面视图，

图5是另一个烧结部件布置的平面视图，并且

图6是另一个烧结部件布置的平面视图。

具体实施方式

图中的相同的元件用相同的附图标记标出。还应该指出，在图3至图6中，平面视图中示出的实际不可见的元件以及元件的附图标记箭头由虚线示出。图1和图2的截面视图示出了沿着图3中所示的切割线a所截的截面。

图1示出了在烧结压机将压力施加到烧结部件布置1的功率半导体部件6a和6b之前的状态下的布置在烧结压机中的烧结部件布置1的截面视图。图3示出了图1中所示的烧结部件布置1的平面视图。

在根据本发明的压力烧结方法中，第一方法步骤a)包括提供烧结部件布置1。烧结部件布置1具有工件载体3，该工件载体3包括第一凹部2a和第二凹部2b。烧结部件布置1还包括基底5，该基底5搁置在工件载体3的优选平坦的主表面3a上并且具有非导电性绝缘层5a，在基底5的背对工件载体3的第一主侧5a'上布置有金属化层5b，金属化层5b被结构化而形成导体轨道5b'和5b”。基底5具有与工件载体3的主表面3a的机械接触。凹部2a和2b从工件载体3的主表面3a延伸到工件载体3a中。导体轨道5b'和5b”被布置成在绝缘层5a上彼此间隔开。导体轨道5b'和5b”被彼此电绝缘地布置在绝缘层5a上。绝缘层5a优选地是被设计成陶瓷板。基底3优选地是具有布置在绝缘层5a上的另一个结构化或非结构化的金属化层5c，其中绝缘层5a被布置在金属化层5b和该另一个金属化层5c之间。金属化层5b或5c以材料结合的方式连接到绝缘层5a。基底3可以被实施成为例如直接铜结合基底(dcb基底)或活性金属钎焊基底(amb基底)。可替代地是，基底3还可以被实施成为绝缘金属基底(ims基底)。

烧结部件布置1具有功率半导体部件6a和6b，该功率半导体部件6a和6b被布置在导体轨道5b'和5b”上。优选地是以工业标准烧结膏的形式存在的待烧结的烧结材料7被布置在功率半导体部件6a和6b与导体轨道5b'和5b”之间。烧结材料7、特别是烧结膏包含例如银的金属颗粒。相应的功率半导体部件优选地是以功率半导体开关或二极管的形式存在。相应的功率半导体开关优选地是以晶体管诸如igbt(绝缘栅双极晶体管)的形式或者以mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)或晶闸管的形式存在。

第一功率半导体部件6a和基底5的第一区域8a被布置成在绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1上处在工件载体3的上方且与工件载体3的第一凹部2a齐平对准。第二半导体部件6b和基底5的第二区域8b被布置成在绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1上处在工件载体3的上方且与工件载体3的第二凹部2b齐平对准。工件载体3优选由金属构造。

如例如图1中所示，工件载体3的界定相应的凹部2a或2b的表面3b或3c具有凹形轮廓。工件载体3的表面3b或3c的相应的凹部2a或2b的轮廓优选是连续可微分的，使得工件载体3的界定相应的凹部2a或2b的表面3b或3c没有可能以后在加压期间导致对基底5的损坏的边缘。

工件载体3的在从工件载体3的上面搁置有基底5的主表面3a到工件载体3的界定相应的凹部2a或2b的表面3b或3c的相应的过渡部处的表面的轮廓优选是连续可微分的，使得在相应的过渡部处不存在任何可能以后在加压期间导致对基底5的损坏的边缘。

相应的凹部2a或2b具有最大深度t所处的位置2a'或2b'优选地是被布置在绝缘层5的第一主侧5a'的法线方向n1上且与相应的功率半导体部件6a或6b的中央区域6a'或6b'齐平。相应的凹部2a或2b的最大深度t优选是20μm至150μm、特别是40μm至120μm，并且特别是100μm。

如图1和图3中的示例中所示，被投影到由相应的凹部2a或2b的边沿2a”或2b”包围的虚拟表面15a、15b(该虚拟表面15a、15b的法线方向n2或n3与绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1一致)的相应的功率半导体部件6a或6b的面对相应的凹部2a或2b的主表面6a”或6b”在绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1上优选位于该虚拟表面15a或15b内。对于所有的示例性实施例，应注意的是，换句话说，虚拟表面15a或15b是相应的凹部2a或2b的开口的虚拟光滑表面。当被投影到相应的凹部2a或2b的边沿2a”或2b”上时，相应的功率半导体部件6a或6b的面对相应的凹部2a或2b的主表面6a'或6b'的拐角部14a或14b优选在绝缘层6a的第一主侧6a'的法线方向n1上位于相应的凹部2a或2b的边沿2a”或2b”上。

可替代地是，如图4中所示的示例中的那样，当被投影到相应的功率半导体部件6a或6b的面对相应的凹部2a或2b的主表面6a”或6b”上时，由相应的凹部2a、2b的边沿2a”或2b”包围的虚拟表面15a'或15b'(该虚拟表面15a、15b的法线方向n2、n3与绝缘层(5a)的第一主侧5a'的法线方向n1一致)在绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1上位于相应的功率半导体部件6a或6b的所述主表面6a”或6b”内。

如图3和图4中所示的示例中的那样，在功率半导体部件6a和6b中的至少一个功率半导体中，此处是在功率半导体部件6a中，该至少一个功率半导体部件6a的面对相应的凹部2a的主表面6a”可以具有方形形状，其中由与该至少一个功率半导体部件6a相关联的凹部2a的边沿2a”包围的虚拟表面15a或15a'(其法线方向n2与绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1一致)具有圆形形状。在方形的功率半导体部件的情形中，虚拟表面15a或15a'因此优选具有圆形形状。应注意的是，换句话说，虚拟表面15a或15a'是相应的相关联的凹部的开口的虚拟光滑表面。

如图3和图4中的示例中所示，在功率半导体部件6a和6b中的至少一个功率半导体部件中，此处是在功率半导体元件6b中，该至少一个功率半导体部件6b的面对相应的凹部2b的主表面6b”可以具有矩形形状，其中由与该至少一个功率半导体部件6b相关联的凹部2b的边沿2b”包围的虚拟表面15a或15a'(其法线方向n3与绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1一致)具有椭圆形形状。在矩形的功率半导体部件的情形中，虚拟表面15b或15b'因此优选具有椭圆形形状。应注意的是，换句话说，在每一种情形中，虚拟表面15b或15b'是相关联的凹部的开口的虚拟平面表面。

如图5和图6的示例中所示，与相应的功率半导体部件6a或6b相关联的凹部2a或2b的边沿2a”或2b”在相应的功率半导体部件6a或6b的非拐角部区域20a或20b处可以平行于相应的功率半导体部件6a或6b的边沿边缘21a或21b延伸，其中在相应的功率半导体部件6a或6b的拐角部区域22a或22b处，与相应的功率半导体部件6a或6b相关联的凹部2a或2b的边沿2a”或2b”具有弯曲轮廓，特别是形式为圆弧的弯曲轮廓。与相应的功率半导体部件6a或6b相关联的凹部2a或2b的边沿2a”或2b”优选地是在与绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1垂直的方向上与相应的功率半导体部件6a或6b的边缘21a或21b间隔开。在此情形中，凹部2a或2b的边沿2a”或2b”被布置成在与绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1垂直的方向上比相应的功率半导体部件6a或6b的边沿边缘21a或21b更靠近(见图6)或更远离(见图5)相应的功率半导体部件6a或6b的中央区域6a'或6b'在绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1上延伸的投影。

工件载体3优选具有至少一个止挡装置13，该止挡装置13阻碍基底5在与绝缘层5的第一主侧5a'的法线方向n1垂直的方向上的移动。所述至少一个止挡装置13优选被设计成为从工件载体3的主表面3a突出出来的至少一个升高部。

在随后的方法步骤a')中，优选进行烧结部件布置1在烧结压机的压力配对件11上的布置。可替代地是，还可能的是，烧结部件布置1的工件载体2形成烧结压机的一体部分。

在根据本发明的压力烧结方法中，在另一个方法步骤b)中，如图1中的大箭头所指示的那样，沿着工件载体3的方向将压力施加到功率半导体部件6a和6b，并且对烧结材料7施用温度处理，其中基底5的第一区域8a的一部分被压入到第一凹部2a中，并且基底5的第二区域8b的一部分被压入到第二凹部2b中，并且烧结材料7被转变成烧结金属7'。烧结材料7到烧结金属7的转变至少是大致在基底5的第一区域8a和第二区域8b已经被压入到相应的凹部2a和2b中之后进行的，烧结材料7因此经受了高压，这是因为作用在烧结材料7上的压力不再受基底5的第一区域8a和第二区域8b的机械变形限制或减小。在图2中，示出了在功率半导体部件6a和6b的加压期间的烧结部件布置1。烧结材料7到烧结金属7'的转变通过将烧结材料7中包含的金属颗粒烧结来进行。在示例性实施例中，金属颗粒由银制成，使得在示例性实施例中，烧结金属7'由银制成。在工件载体3的方向上的对功率半导体部件2a或2b的加压优选通过烧结压机的能够在烧结压机的压力配对件11的方向上移动的压力印模10来进行。压力印模10优选具有金属成形体10a和弹性缓冲元件10b，该弹性缓冲元件10b被布置在金属成形体10a的面对压力配对件11的一侧上。烧结材料7的温度处理优选通过将压力配对件11和/或压力印模10加热来进行。在这个工艺中，热量从基底5和/或从功率半导体部件2a和2b传递到烧结材料7。

如图2的示例中所示，在方法步骤b)中，由于凹部2a和2b，所以基底5形成了延伸到凹部2a和2b中的隆起区域12a和12b。由于基底5、特别是基底5的非导电性绝缘层5a(例如陶瓷板)、烧结金属7'和功率半导体部件2a和2b的不同的热膨胀系数，所以在这些部件的随后的冷却期间，在这些部件之间产生机械应力，这引起隆起区域12a和12b在功率半导体部件2a和2b的方向上受压，使得基底5的背对功率半导体部件2a和2b的那一侧16在冷却过程之后至少是大致平坦的，并且因此基底5的背对功率半导体部件2a和2b的那一侧16没有在功率半导体部件的方向上延伸的、被布置成与功率半导体部件齐平的凹形区域。因此，基底5可以在相对于金属基板或热沉的热接触电阻最小的情况下被布置在金属基板或热沉上。然而，应注意的是，凹部2a和2b的尺寸、特别是相应的凹部2a和2b的最大深度t还可以被这样设计，即：使得在部件的冷却期间，隆起区域12a和12b不完全消失，并且因此在已经冷却之后，基底5的背对功率半导体部件2a和2b的那一侧16具有残余隆起区域。在此情形中，基底5也可以在相对于金属基板或热沉的热接触电阻最小的情况下被布置在金属基板或热沉上，这是因为在功率半导体部件2a和2b的操作中恰好在发生从功率半导体部件2a和2b到基底5的热传递的位置处，基底5与基板或热沉具有优异的机械接触。

在示例性实施例中，如图3至图6中所示，烧结部件布置1具有四个功率半导体部件，其中在工件载体2中有相应的凹部与相应的功率半导体部件相关联。烧结部件布置1的与工件载体中的凹部相关联的功率半导体部件的数量是至少两个。应注意的是，工件载体3中的凹部不一定需要被布置在烧结部件布置1的所有功率半导体部件的下方。然而，优选地是，烧结部件布置1的所有功率半导体部件被布置成在基底5的绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1上处在工件载体3的上方且在每一种情形中与和相应的功率半导体部件相关联的工件载体3的相应的凹部齐平，并且基底5的相应的区域被布置成在绝缘层5a的第一主侧5a'的法线方向n1上处在工件载体3的上方且与工件载体3的相应的凹部2a、2b齐平，使得凹部在工件载体3中被优选布置在烧结部件布置1的所有功率半导体部件的下面。在方法步骤b)中，基底5的这个特定区域的一部分被压入到相应的凹部中。

此处，应注意的是，如果本发明的不同的示例性实施例的特征不相互排斥，则所述特征当然可以在不偏离本发明的范围的情况下自由组合。