专利名称：连接组件的方法、电路组件的组合体和电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及为了建立电路模块的至少两个组件之间的机械和电气相互连接 (interconnect)而连接(join)这些组件的方法。本发明进一步涉及电路组件的对应组合 体(composite)和电路模块。
背景技术：
在例如电子电路模块的电路模块或诸如微电子封装、功率电子封装、甚至LED封 装的半导体封装中需要在组件之间有多个接头(joints)或相互连接/接合。管芯粘接 (Die-attach)、引线接合(wire bonding)是第一层封装，这些接头通常是整个封装中最重 要也是最薄弱的点。功率电子的趋势是向更高功率密度、更高操作温度和更高可靠性需求 方向发展，并且诸如例如SiC、GaN的新的宽带隙半导体材料也需要用于更高操作温度和更 高可靠性的先进的封装。半导体封装现在正在变成高功率和高性能功率电子系统的瓶颈。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种连接电路模块组件的方法，电路模块组件的对应组 合体和相比传统电路允许更高操作温度和更高可靠性的电路模块。通过独立权利要求的特征实现了该目的。优选的实施例通过从属权利要求给出。通过用于烧结组件之间的金属接头的烧结过程实现该连接，其中为了支持所述烧 结过程在烧结过程期间至少临时地提供超声波振动能量。与使用焊接和引线接合技术的传 统电路模块相比，诸如例如Ag烧结接头的金属烧结接头提供了高得多的操作温度和更高 的可靠性。与焊接的(管芯_)接合和引线接合相比^g烧结接头显示了更好的电气、热和机 械特性，其导致更高的功率密度能力、更高的操作温度能力和更高的可靠性。然而，由于在 这种烧结过程期间需要烧结压力(l_40MPa)和烧结温度或烧结热量(大约200°C -350°C )， 通过诸如Ag的金属的烧结过程的连接或接合是繁重的。通常使用具有集成的加热的压力 机(press)来完成这种烧结。由于必须要保持热量数分钟，因而单个接合装置的处理量受 到限制。烧结接头提供了相比使用焊接和引线接合技术的传统封装高得多的操作温度和 更高的可靠性。然而，由于热量和压力必须同时保持数分钟，通常包括施加高压和热量的烧 结过程对于大规模生产难以实现。因此，根据本发明的烧结过程由施加的烧结压力、烧结温 度并且另外由感应的(induced)超声波振动能量来推动。为了减少需要的烧结压力、烧结 时间和/或烧结温度，通过感应高频超声波将超声波振动能量提供到金属接头。对于本发 明，术语“金属接头”涉及至少两个组件之间的机械和电气相互连接(或接合)。超声波技术和超声波设备在半导体产业已经很好地建立和使用了很多年。在金属 中，由于表面氧化物的高压扩散、材料的局部运动以及还有局部加热而发生超声波烧结。例 如在功率电子封装中使用超声波振动能量的Al引线接合和甚至Cu端子(terminate)到衬 底的超声波焊接。到目前为止，超声波设备是非常快的，并且能够轻松地实现自动化，也能够实现干净和精确的接头。根据本发明的第一实施例，金属是Ag或至少包括Ag。Ag烧结是众所周知的低温 接合方法。根据本发明的另一实施例，用于施加烧结压力和/或温度的工具进一步用于提供 超声波振动能量到新出现接头(emergingjoint)。装置尤其是超声波设备的施压工具的顶 端。施压工具优选包括超声波焊机(sonotrode)，其受到超声波振动，并且传送超声波振动 能量到组件的连接区域中。根据本发明的另一实施例，金属粒子，特别是纳米尺寸金属粒子，被烧结来形成烧 结金属接头。粒子，特别是Ag和/或纳米Ag粒子，其被烧结来形成Ag烧结接头。根据本发明的另一实施例，该方法进一步包括印刷和/或配送(dispense)包括至 少一个组件的连接区域上的金属粒子、用于将这些组件相邻连接(adjacent joining)的悬 浮物(suspension)的步骤根据本发明的又一实施例，通过一个烧结过程产生至少两个烧结金属接头。根据本发明的优选实施例，电路模块是电子电路模块，优选的是微电子模块，功率 电子模块，LED模块(LED 发光二极管)或类似模块，尤其是诸如微电子封装、功率电子封装 或甚至是LED封装的半导体封装。根据本发明的另一优选实施例，至少一个组件是半导体装置。根据本发明的又一优选实施例，至少一个组件在形成烧结接头的区域中在其外表 面上包括贵金属涂层。该区域基本位于连接区域中。本发明进一步涉及包括电路模块的至少两个组件的组合体，其中这些组件通过至 少一个接头机械地和电气地相互连接。根据本发明，通过使用前述方法连接组件来制造组 合体，其中接头是烧结金属接头。该方法利用了良好建立的超声波技术来帮助金属烧结，以及用于形成烧结金属接 头。超声波振动能量的使用加速了烧结过程，并且能够轻松地实现用于大规模生产的自动 化。金属粒子，尤其是纳米尺寸金属粒子，被烧结以形成烧结金属接头。根据本发明的实施例，烧结金属接头的金属是Ag或包括Ag。粒子尤其是Ag和/ 或纳米Ag粒子，其被烧结以形成Ag烧结接头。于是超声波Ag/纳米Ag烧结能够替代软焊 和引线接合来用于下一代高性能半导体封装。根据本发明的另一实施例，至少一个组件是半导体装置。本发明进一步涉及包括至少一个前述组合体的电路模块。优选地，电路模块是电 子电路模块。
参考以下描述的实施例，本发明的这些或其它方面会变得明显并得以阐述，附图 中图1示出根据本发明第一实施例的用于电子电路模块的组件的组合体；图2示出根据本发明第二实施例的包括四个组合体的电子电路模块；和图3描述了图2所示的电子电路模块的截面图；以及详细描述所述电子电路模块 的组合体之一。
具体实施例方式图1示出作为半导体装置14的第一组件12和作为形成为金属带(metal ribbon) 的接触装置18的第二组件16的组合体10。包括作为Ag粒子和/或Ag纳米粒子的金属粒 子的膏剂层20位于半导体装置14的上侧和接触装置18的下侧之间。通过施加烧结压力、 烧结热量(烧结温度)，并且另外通过由烧结工具M将感应的超声波振动能量提供到连接 区域22，形成烧结金属接头26。该烧结金属接头沈机械地和电气地将组合体10的第一和 第二组件12、16相互连接。通过单动作施压(箭头28)与加热和提供超声波振动能量的结合，烧结工具M敷 布(compress)包括Ag粒子和/或Ag纳米粒子的层20，烧结金属接头26 (烧结Ag接头) 在其中出现。如图1所示，通过超声波Ag/纳米Ag烧结将作为半导体装置12 (或芯片，特别是 IGBT(IGBT:绝缘栅极双极性晶体管)的发射极或二极管的阴极)的第一组件14的顶部与 第二组件16 (带(ribbon))烧结。烧结过程通过如下使用工具M的超声波设备完成1、将Ag/纳米Ag膏剂层20通过模板/丝网印刷(stencil/screenprinting)或 配送在半导体装置14(未示出)的所选择的顶部区域上。2、拣选和放置带，特别是Al带或Cu带，优选地包括贵金属镀层(如Ag镀层或Au 镀层)、烧结，其中烧结过程会通过合适的工具M所产生的所提供超声波振动能量(超声波 能量)、局部热量和压力来开始和完成。额外的外部热量也是用来加速烧结过程(未示出) 的一种选择。3、将带超声波接合到衬底(图1中未示出)的金属化处(metallization)能够通 过使用具有合适参数的同样的设备/工具来完成。图2和3描述了根据本发明第二实施例的包括四个组合体10的电路模块30。图 2到3示出的电路模块30是电子电路模块32。每个组合体10包括两个烧结金属接头26、 34，其通过使用一个烧结工具M的单一烧结过程来产生。图3示出作为半导体装置14的 第一组件12位于作为在第一组件12上侧的接触装置18的第二组件16和作为在第一组件 12下侧之下的电子电路模块32的金属化衬底38的第三组件36之间的夹层结构。包括Ag 粒子和/或Ag纳米粒子的膏剂层20分别位于第一组件12和第二组件16之间以及第一组 件12和第三组件36之间。通过施加烧结压力、烧结热量(烧结温度)和额外地通过由烧结工具M将感应的 超声波振动能量提供到连接区域22，两个烧结金属接头沈、34同时形成。一个烧结金属接 头26机械地和电气地将组合体10的第一和第二组件12、16相互连接，另一烧结金属接头 34机械地和电气地将组合体10的第一和第三组件12、36相互连接。使用工具M的超声波设备来提供超声波振动能量、局部热量和压力到预期连接 界面(joining interface)(或接合界面)。整个连接过程能够描述为如下1、将Ag/纳米Ag膏剂通过模板/丝网印刷或配送在衬底和带底部(ribbon bottom)(未示出)。2、通过烧干过程(burn out processes)干燥有机粘合剂(binder)(该步骤可以 和步骤3结合、例如在放置半导体装置12和接触装置16之后干燥有机粘合剂)。
3、拣选和放置半导体装置12和接触装置16，并且施加超声波振动能量、局部热量 和压力来帮助同时在半导体装置12的底部和顶部界面处的层20中烧结Ag/纳米Ag粒子。4、来自半导体装置12的底部的额外外部热量是可选的，用来加速烧结和扩散过 程。图2示出了具有双侧烧结的半导体装置12的最终的电子电路模块32。作为替换的过程(未示出)1、将Ag/纳米Ag膏剂通过模板/丝网印刷或配送在衬底38上。2、通过烧干过程干燥有机粘合剂(该步骤可以和步骤3结合、例如在放置半导体 装置14之后干燥有机粘合剂)。3、拣选和放置半导体装置14(芯片)，并且使用超声波机器来施加超声波振动能 量、局部热量和压力来帮助烧结Ag/纳米Ag粒子。4、来自半导体装置14的底部的额外外部热量是可选的，用来加速烧结和扩散过程。5、遵循图1的过程来通过超声波Ag烧结制造半导体装置14 (芯片)的顶部上的 带接合(ribbon boding)。图2示出了最终的双侧金属烧结的半导体装置14(芯片)。在附图和上述的说明书中已经详细示出和描述了本发明，这种示出和描述要被认 为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明不局限于所揭示的实施例。所揭示的实施例的其它变形能够被本领域的技术人员在实施所要求的发明时从 附图、说明书和附加的权利要求的学习中所理解和实现。在权利要求中，单词“包括”不排 除其它元件或步骤，不定冠词“一”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中叙述了特定 措施这一事实不表示这些措施的组合不能用于有利方面。权利要求中涉及的任何参考标记 不应该解释为对范围的限定。参考标记列表
10组件的组合体
12第一组件
14半导体装置
16第二组件
18接触装置
20包括金属粒子的层
22连接区域
24烧结工具
26烧结金属接头
28箭头
30电路模块
32电子电路模块
34另一烧结金属接头
36第三组件
38金属化衬底
权利要求
1.一种为了建立电路模块的至少两个组件之间的机械和电气相互连接而连接这些组 件的方法，其中，通过用于在这些组件之间烧结金属接头的烧结过程实现该连接，以及为了 支持所述烧结过程在所述烧结过程期间至少临时地提供超声波振动能量。
2.根据权利要求1的方法，其中所述金属是Ag或至少包括Ag。
3.根据上述任一权利要求的方法，其中用于施加所述烧结压力和/或烧结温度的工具 进一步用于将所述超声波振动能量提供到新出现接头。
4.根据上述任一权利要求的方法，其中金属粒子，尤其是纳米尺寸金属粒子，被烧结来 形成烧结金属接头。
5.根据权利要求4的方法，进一步包括印刷和/或配送包括至少一个所述组件的连接 区域上的、用于将这些组件相邻连接的金属粒子的悬浮物的步骤。
6.根据上述任一权利要求的方法，其中通过一个烧结过程产生至少两个烧结金属接头。
7.根据上述任一权利要求的方法，其中所述电路模块是电子电路模块。
8.根据上述任一权利要求的方法，其中至少一个所述组件是半导体装置。
9.根据上述任一权利要求的方法，其中至少一个所述组件在烧结接头形成的区域中在 其外表面上包括贵金属涂层。
10.一种包括电路模块(30)的至少两个组件(12、16、36)的组合体(10)，其中所述组 件(12、16、36)通过至少一个接头机械地和电气地相互连接，其特征在于通过使用根据上 述任一权利要求的方法连接所述组件来制造所述组合体(10)，其中所述接头是烧结金属接 头(12、16、36)。
11.根据权利要求10的组合体，其中所述烧结金属接头(12、16、36)的金属是烧结Ag 接头或包括Ag的烧结金属接头。
12.根据权利要求10或11的组合体，其中至少一个所述组件(1 是半导体装置(14)。
13.—种包括至少一个根据权利要求10到12之一的组合体(10)的电路模块(30)。
14.根据权利要求13的电路模块，其中所述电路模块(30)是电子电路模块(32)。
全文摘要
本发明的名称为连接组件的方法、电路组件的组合体和电路，涉及一种为了建立电路模块(30)的至少两个组件(12、16、36)之间机械的和电气的相互连接而连接这些组件(12、16、36)的方法，其中通过用于在这些组件(12、16、36)之间烧结金属接头(26、34)的烧结过程实现该连接，并且其中为了支持所述烧结过程在烧结过程期间至少临时地提供超声波振动能量。本发明进一步涉及一种包括电路模块(30)的至少两个组件(12、16、36)的对应组合体(10)和对应电路模块(30)。
文档编号H05K1/14GK102131353SQ20101057177
公开日2011年7月20日 申请日期2010年10月5日 优先权日2009年10月5日
发明者C·刘, N·舒尔茨, S·基西恩 申请人:Abb研究有限公司