专利名称：具有铜/金刚石复合材料的半导体衬底及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体封装，尤其涉及晶体管或其他芯片(die)与绝缘引线框架一起安装在金属导电衬底上的封装，所述衬底起着芯片的散热器和电连接的作用。
背景技术：
提供这样的半导体封装是本领域公知的在含金属衬底上直接安装带有绝缘引线框架的晶体管或其他芯片。除了安装所述芯片和绝缘引线框架外，为所述芯片进一步提供电连接的衬底还起着散射器的作用，以提供所期望的散热效果。所述芯片可以是LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)型，并具有用于封装LDMOS功率晶体管的封装类型。在制作所述衬底的过程中采用了各种不同的材料，金属和复合材料，其目的在于得到稳定改善的散热效果。所述衬底必须选择具有低热膨胀系数的材料，并与所述芯片和用于引线框架的绝缘体的材料相匹配。在此类衬底的制造中，经常采用铜/钨复合材料。
尽管已经证明诸如铜/钨复合材料非常适于为半导体封装散热，但是，这些及其他常规设计仍然存在有待改善的空间，尤其在所述结构的运行过程中散热的可靠性方面。
发明内容
本发明提供了改善的半导体封装结构及其制造方法。本发明尤其提供了改善的衬底结构，用于在其上安装芯片和绝缘引线框架。较先前的工艺结构，本发明提供的衬底结构具有改善的散热效果，并具有期望的低热膨胀系数。另外，根据本发明，还提供了用于制造所述衬底的有利方法。
根据本发明，半导体封装包括一含有金属的(metallic)衬底和直接安装于其上的芯片，所述衬底包含一具有对立面的主体，在对立面上形成了一对铜层，芯片安装在所述一对铜层之一上，并且所述主体至少部分地由铜/金刚石复合材料构成。金刚石具有极高的热导率和低热膨胀系数，因此，将金刚石加入具有铜的基质(matrix)中后，可以提供改善的衬底。
在根据本发明的第一实施例中，所述主体完全由铜/金刚石复合材料构成。在第二实施例中，所述主体由具有插入其中的铜/金刚石复合材料的铜/钨复合材料构成。在两种情况下，所述半导体封装均包括连接至邻近所述芯片的一对铜层中的一个的绝缘引线框架。所述引线框架包括多个引线，该多个引线通过焊丝(bond wire)连接至所述芯片。优选地，所述主体具有大体平面构造，并且在相对面之间具有大体均匀的厚度。所述的一对铜层相对较薄，为大体平面构造。
铜/金刚石复合材料是由铜基质中加入金刚石颗粒构成的。金刚石颗粒可以涂覆Cr、W、Mo、Co、Cu、Ti、Si、SiC、TiN、TiC、Ta和Zr中的一种或多种。在优选实施例中，在金刚石颗粒上涂覆了一层Cr、一层W、一层Co和一层Cu。
根据本发明，在制作用于半导体衬底的铜/金刚石复合材料的优选实施例中，在金刚石颗粒上涂覆多层元素或无机化合物。经过涂覆的颗粒与干压(dry-pressing)粘合剂混合，并在压力作用下压实到模具(die)当中从而形成一个压实的主体。将这一压实的主体放在一片铜的上面或下面，并在真空或氢气气氛中加热，从而使粘合剂蒸发或分解。之后，在真空或氢气气氛中对所述压实主体加热，从而引起经涂覆的金刚石颗粒的结合(bonding)或部分烧结。之后，在氢气气氛中对所述压实主体加热至比铜的熔点稍高的温度，从而使铜融化并注入到结合或部分烧结的金刚石颗粒之中。接下来，对所述压实主体冷却，并切割成所期望的形状。切割之后，可以将铜层焊接到所述主体的相对侧，例如可以采用铜焊(brazing)。
提供铜/钨复合材料来制作根据第二实施例的衬底。之后，对所述压实主体和铜/钨复合材料加热至铜的熔点以上，从而将所述压实主体与铜/钨复合材料结合。这样，就得到了由具有插入其中的铜/金刚石的铜/钨复合材料构成的衬底。
压实主体的冷却步骤可以简单地包括将所述主体冷却至室温。或者，所述步骤可以包括部分冷却所述压实主体，在所述压实主体周围建立低压气氛，并对所述压实主体重新加热至铜的熔点之上，并维持足够长的时间，从而从铜中去除所溶解的氢。
下面，将参照附图对本发明的实施例进行详细说明，其中图1是根据本发明的半导体封装的第一实施例的平面图。
图2是根据本发明的第二实施例的衬底的透视图，其中，对所述衬底进行了部分拆分，并采用了部分剖视图。
图3是制作根据本发明的铜/金刚石复合材料的优选方法的连续步骤方框图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的半导体封装10的第一实施例。封装10包括大体平面状的具有相对均匀厚度的衬底12，在其上安装了芯片14。所述芯片14可以包括一晶体管或其他半导体器件。在所述衬底12上邻近芯片14安装的还有具有引线框架18的绝缘体16，所述引线框架18由通过焊丝19电连接至芯片14的多个引线组成。
在图1中示出的半导体封装10所属的类型中，将芯片直接安装在含有金属的，导电、导热的法兰盘(flange)上。所述法兰盘是由衬底12形成的。但是，应当为本领域技术人员理解的是，在下文中将予以说明的本发明的原理也适用于其他类型的半导体封装。
在如图1所示类型的半导体封装10中，衬底12为芯片14形成了电连接。但是，最为重要的是，所述衬底12形成了散热器，起着从半导体封装10散热的作用。所述衬底12包括主体20，其具有一对分别安装在其相对的宽阔表面26和28的纯铜层22和24。
根据本发明，主体20包括在铜基质(matrix)中具有金刚石颗粒的铜/金刚石复合材料。金刚石具有极高的热导率。在形成由铜/金刚石复合材料构成的主体20的过程中利用了这一属性。这样的复合材料根据金刚石的填充比率(铜与金刚石的体积比)提供了导热性、热膨胀和导电性的独特结合。另外，通过根据本发明的制作所述复合材料的优选方法，金刚石颗粒的较高成本得到了控制，在下文中将联系图3对此予以说明。
按照下文中参照图3对本方法的说明，在完成主体20的制作后，将铜层22和24焊接到主体20的宽阔表面26和28上，例如，可以采取铜焊。铜层22和24可以使衬底12更容易被磨平。这是因为，纯铜层22和24比主体20的含有金刚石的复合材料更易打磨。另外，纯铜层22和24覆盖了在主体20的复合材料中暴露的孔隙和裸露的金刚石，否则，在贴附芯片之前将会在涂布到封装上的任何电镀涂层中导致缺陷的产生。
图2示出了根据本发明的备选实施例。在图2中，图1中的衬底12被衬底30替代。与图1中的衬底12类似，衬底30具有在其相对的宽阔表面38和40上带有铜层34和36的主体32。但是，图1中的主体20完全由铜/金刚石复合材料构成，而图2中的主体32仅一部分由铜/金刚石复合材料构成。更具体地说，衬底30的主体32由铜/钨复合材料构成，并且在其中具有由铜/金刚石复合材料构成的插入物42。主体32和图1中的主体20一样，为图2的实施例提供了良好的散热效果。同时，铜/钨复合材料成本较低，并且更加易于机械加工。当在法兰盘上必须提供螺栓孔时，机械加工的简便性尤为重要。通过仅在大体位于芯片14之下的区域中采用铜/金刚石复合材料的方法实现了成本节约，在所述区域中，铜/金刚石复合材料的更高热导率得到了最为有效的利用。通过在铜/钨复合材料中形成作为插入物42的铜/金刚石复合材料的方式，合并后的主体的热膨胀主要由铜/钨复合材料的热膨胀系数控制。
如前所述，根据本发明，所述衬底的至少一部分由铜/金刚石复合材料形成为所述半导体封装提供了能够改善散热的法兰盘。与现有技术结构的衬底中通常采用的铜/钨复合材料以及其他复合材料和材料相比，金刚石确实具有极高的热导率。它们还具有非常低的热膨胀，从而为铜/金刚石复合材料提供了与芯片和引线框架绝缘体的热膨胀系数相匹配的低热膨胀系数。如果衬底的热膨胀系数太高，那么在向衬底铜焊时，芯片或引线框架绝缘体将破裂。
但是，金刚石昂贵，并且在形成具有金刚石的复合材料时可能难以加工。
在图3中所示的，根据本发明制作所述铜/金刚石复合材料的优选方法必须要克服在制作复合材料的过程中金刚石的处理方面的问题。除了金刚石自身的高成本外，含有金刚石的复合材料的加工也可能成本高昂。而且，在加热时，金刚石易于转化成石墨，难以与铜结合。含有金刚石的材料可能难以形成有用的形状。而且，难以采用一种既让热量有效地穿过界面转移，又实现具有降低复合材料的热膨胀系数所需的强大机械强度的方法将金刚石与铜结合。
图3所示的优选方法克服了在半导体封装的衬底中使用的铜/金刚石复合材料的制作过程中的各种弊端。
在图3所示的方法的第一步骤50中，在金刚石颗粒上涂覆多层不同元素或无机化合物。优选地，为平均粒度在20微米至120微米之间的、合成的或天然的金刚石粉末涂覆多层不同元素或无机化合物。所采用的涂覆方法为流化床化学气相淀积。或者，可以采用自动催化(无电极)水法化学镀。所涂覆的下层可以采用一种方法淀积，而其他层可以采用其他方法淀积。覆层的各层可以是由从下面组中选出的元素或化合物构成的Cr、W、Mo、Co、Cu、Ti、Si、SiC、TiN、TiC、Ta和Zr。根据本发明的金刚石覆层的优选实施例包括一四层体系，其中，所述颗粒首先涂覆一层Cr，之后是一层W，随后是一层Co，然后是一层Cu。每层的厚度介于30纳米和2微米之间。
在如图3所示的第二步骤52中，将经过涂覆的金刚石颗粒与干压粘合剂混合。作为选择，也可以将所述颗粒与铜粉混合。
在图3所示的第三步骤54中，在高压下将颗粒压入到模具当中。这一压力优选在15000和50000磅/平方英寸之间。
在如图3所示的第四步骤56中，将压实所产生的主体放置在一片纯铜的顶部，并载入炉中。
在如图3所示的第五步骤58中，在真空或湿氢气氛中加热所述主体，从而使干压粘合剂蒸发或分解。持续加热，从而使主体在湿氢环境中暴露于至少700℃下至少10分钟，以减少所有的铜氧化物，并将铜或金刚石覆层上的任何含碳残留物转化成CO或CO2。
在如图3所示的第六步骤60中，在真空或氢气气氛中对压实主体加热，从而使经过涂覆的金刚石发生结合或部分烧结。在这一步骤中，优选将所述压实主体在真空或氢气气氛中加热至950℃至少10分钟。这样将导致经过涂覆的金刚石的结合或“部分烧结”，从而使它们在接触点上彼此附着。
在图3的第七步骤62中，在湿氢或干氢气氛中加热主体至温度略高于铜的熔点，从而将熔融铜引入到部分烧结的金刚石结构中。优选在1200℃的温度下执行这一步骤。将主体在这一温度下加热至少2分钟。当铜熔化后，通过毛细作用力将其吸入部分烧结的金刚石压实体中。如果覆层体系有效，铜将彻底渗透所述压实体，形成无孔隙的复合主体。
在图3所示的第八步骤64中，将所述主体冷却至室温，并从炉中取出。在对应于步骤64的备选步骤中，将所述主体冷却至大约900℃，之后，抽取炉气至至少1×10-4torr的真空度。之后，在真空中，重新加热至铜的熔点之上，并保持至少15分钟，以便从金属中去除所溶解的氢。
在如图3所示的第九步骤66中，将所述主体切割成期望的形状，从而能用在如图1或图2所示的封装构造中。可以通过放电加工(EDM)或自由(free)磨料研磨(采用金刚石磨料)，或两者的结合成形。
在图3的第十步骤68中，将与图1中的层22和24，以及图2中的层34和36对应的铜层焊接到衬底主体上相对的宽阔表面上，例如可以采取铜焊的方式。
就图2中的第二实施例而言，要想形成具有两种不同复合材料的主体32，则需要进一步的加工。在这种情况下，通过将其再次熔化的方法将铜/金刚石复合材料插入物42焊接到周围的铜/钨复合材料中，从而使每种材料中的铜基质流动并混合。
因此，应当从各个方面将这里公开的实施例考虑成说明性的和非限定性的，本发明的范围由权利要求书而不是上文中的说明指定，因此，落在所述权利要求书和等价物的含义和范围内的所有改变都将涵盖在本发明中。
权利要求
1.一种半导体封装，其包括的一含金属的衬底，该衬底包括一主体，该主体具有由纯铜层构成的相对表面，所述主体至少部分由铜/金刚石复合材料构成。
2.如权利要求1所述的半导体封装，其中所述主体完全由铜/金刚石复合材料构成。
3.如权利要求1所述的半导体封装，其中，所述主体由具有插入其中的铜/金刚石复合材料的铜/钨复合材料构成。
4.如权利要求1所述的半导体封装，其进一步包括安装在所述的一对铜层中的一个上的芯片，在所述的一对铜层上邻近所述芯片处安装的多个绝缘体，安装在所述绝缘体上的多个引线，以及将所述引线连接至所述芯片的多个焊丝。
5.如权利要求1所述的半导体封装，其中，所述主体具有大体的平面构造，在其相对面之间具有大体均匀的厚度，并且所述的一对铜层相对较薄，具有大体的平面构造。
6.如权利要求1所述的半导体封装，其中，所述铜/金刚石复合材料由位于铜基质中的金刚石颗粒构成。
7.如权利要求6所述的半导体封装，其中，在所述金刚石颗粒上涂覆Cr、W、Mo、Co、Cu、Ti、Si、SiC、TiN、TiC、Ta和Zr中的一种或多种。
8.如权利要求6所述的半导体封装，其中，在所述金刚石颗粒上涂覆一层Cr、一层W、一层Co和一层Cu。
9.一种半导体封装，其包括一含金属的衬底，安装在所述衬底上的芯片，安装在所述衬底上邻近所述芯片的陶瓷引线框架绝缘体，以及安装在引线框架绝缘体上并与所述芯片电连接的金属引线，所述衬底由大体平面构造的主体构成，所述主体至少部分由在铜基质中具有金刚石颗粒的复合材料构成。
10.如权利要求9所述的半导体封装，其中，所述主体在两个相对表面之间具有相对均匀的厚度，并且，其进一步包括在所述主体的相对表面上形成的一对纯铜层。
11.如权利要求9所述的半导体封装，其中，所述主体完全由在铜基质中具有金刚石颗粒的复合材料构成。
12.如权利要求9所述的半导体封装，其中，所述主体由具有位于其中的插入物的铜/钨复合材料构成，所述插入物由在铜基质中具有金刚石颗粒的复合材料组成。
13.一种制造铜/金刚石复合材料的方法，其包括的步骤有用某些元素或无机化合物对金刚石颗粒进行多层涂覆；将涂覆后的颗粒与干压粘合剂混合；在压力作用下，将颗粒压实到一模具中，从而形成压实主体；将压实主体邻近一片铜放置，并在真空或湿氢气氛中加热，使所述粘合剂蒸发或分解；在真空或氢气气氛中对所述压实主体加热，从而引起经涂覆的金刚石颗粒的结合或部分烧结；在氢气气氛中对所述压实主体加热至比铜的熔点稍高的温度，从而使铜融化并注入到已结合或部分烧结的金刚钻颗粒之中；冷却所述的压实主体；以及将所述压实主体切割至期望形状。
14.如权利要求13所述的方法，其进一步包括在所述压实主体的相对面上形成纯铜层的步骤。
15.如权利要求13所述的方法，其进一步包括的步骤有提供铜/钨复合材料；以及将所述压实主体和铜/钨复合材料加热至铜的熔点以上，从而令所述压实主体与铜/钨复合材料结合。
16.如权利要求13所述的方法，其中，冷却所述压实主体的步骤包括的步骤有部分冷却所述压实主体；在所述压实主体周围建立起低压气氛；以及对所述压实主体重新加热至铜的熔点以上，并保持足够长的时间，以便从铜中去除所溶解的氢。
17.如权利要求13所述的方法，其中，采用某些元素或无无机化合物对金刚石颗粒多层涂覆的步骤包括采用流化床化学气相淀积或自身催化水法化学镀涂覆金刚石颗粒。
18.如权利要求13所述的方法，其中，采用元素或无机化合物对金刚石颗粒进行多层涂覆的步骤包括采用Cr、W、Mo、Co、Cu、Ti、Si、SiC、TiN、TiC、Ta和Zr中的一种或多种涂覆金刚石颗粒。
19.如权利要求13所述的方法，其中，采用元素或无机化合物的层涂覆金刚石颗粒的步骤包括采用一层Cr、之后是一层W、然后是一层Co、然后是一层Cu来涂覆金刚石颗粒。
全文摘要
一种用于LDMOS型功率晶体管的半导体封装，其具有一含金属的衬底，其上直接安装有芯片；在所述衬底上邻近芯片安装的引线框架绝缘体，以及安装在所述绝缘体上并通过焊丝电连接至所述芯片的多个引线。所述衬底包括一具有由纯铜层构成的相对表面的主体，主体内部至少部分由铜/金刚石复合材料构成，从而起着散热器的作用，从而提供改善的散热效果、低热膨胀、以及芯片的电连接。所述主体可以完全由铜/金刚石复合材料构成，或者由具有插入其中的铜/金刚石复合材料的铜/钨复合材料构成。铜/金刚石复合材料由铜基质中包含的金刚石颗粒构成。在制作所述铜/金刚石复合材料的方法中，在金刚石颗粒上涂覆多层元素或无机化合物，并将其与干压粘合剂混合，之后，在压力作用下，将其压入模具中，以形成一压实主体。将所述主体放在一片铜上并在真空或氢气气氛中加热，使粘合剂蒸发或分解，在真空或氢气气氛中加热，使经过涂覆的颗粒结合或部分烧结，之后在氢气气氛中加热至稍高于铜的熔点的温度，从而使铜熔化并注入到结合或部分烧结的金刚石颗粒中。随后，将所述压实主体冷却，并切割成所期望的形状。
文档编号H01L23/06GK1768420SQ200380106512
公开日2006年5月3日 申请日期2003年10月24日 优先权日2002年11月7日
发明者约翰·W·麦科伊 申请人:基奥塞拉美国股份有限公司