专利名称：带有大面积接线的功率半导体器件的连接技术的制作方法
粗导线粘接是最广泛使用的用于使功率半导体芯片相互间并与导体带接触的技术。在此通过超声波能量在一个铝导线与接触面之间通过一种惰性金属连接实现持久的连接，其中导线直径一般为几百微米，接触面在芯片上由铝制成而在功率模块上由铜制成。
对于粘接可选择其它的方法如ThinPak。在此芯片表面通过焊剂接触，焊剂加到一个陶瓷板的小孔里面。
在MPIPPS(Metal Posts Interconnected Parallel PlateStructures)中通过钎焊的铜柱加工触点。
另一种用于接触的方法可以通过波峰焊(Ltbumps)在倒装焊工艺中实现。这种工艺还可以实现一个改善的热量排出，因为功率半导体可以在顶面和底面上钎焊到DCB衬底上(DCB为直接铜压焊)。
在一个蒸镀的铜导线上也存在一个大面积的接触，其中导体带的绝缘通过由蒸汽相沉积的(CVD工艺)绝缘体实现(Power ModuleOverlay Structure)。
最后已知通过一个形成结构的薄膜通过一个粘接和钎焊过程实现接触。
US 5,616,886包含一个用于少粘接模块的建议，但是其中没有描述工艺细节。
在0-7803-6437-6/00，IEEE，2000由Ozma t B.、Korman C.S.和Filion R.撰写的“An Advanced Approach to Power ModulePackaging”中公开了一种方法，其中将功率半导体涂覆到一个夹紧在一个框架中的薄膜上。
由在“Advancing Microelectronics”2002年5月/6月第29卷第3期中由Ostmann A.、Neumann A.撰写的“Chip in Polymer-the Next Step in Miniaturization”中已知一种方法，其中将位于一个衬底上的逻辑芯片嵌入到一个聚合物里面。
本发明的目的是，提供一种用于使一个或多个位于衬底上的器件的电接触面接触的方法，该器件适用于功率电子器件并且在其中存在适配于大功率接触的可能性。
这个目的通过在独立权利要求中给出的发明得以实现。有利的设计方案由从属权利要求给出。
因此在用于加工具有一个设置在衬底上的器件的装置的方法中，其中该器件具有一个电接触面，使一个电绝缘材料的覆层涂覆到衬底和器件上。
在涂覆电绝缘材料的覆层之后使器件的电接触面至少局部地外露。通过露出接触面在电绝缘材料的覆层中开着和/或打开一个在尺寸上大于器件侧面和/或表面60％、尤其是大于80％的窗口，该窗口在器件表面上打开。因此本方法特别适用于功率器件，对于该器件在与一个平面导体接触时以相应的尺寸提供一个接触窗口和一个接触面。所述窗口尤其在最大的和/或背离载体的器件表面上打开并最好具有一个大于50毫米2、尤其是大于70毫米2甚至大于100毫米2的绝对尺寸。
也可以替代或附加地为了露出器件的接触面也可以使电绝缘材料的覆层同时涂覆，通过打开一个大于器件侧面和/或表面尺寸60％、尤其是大于80％的窗口，在该表面上打开窗口，使器件的接触面至少局部地空着。当电绝缘材料的覆层以一个薄膜形式涂覆时，则能够特别有利地在涂覆时已经实现全部或局部空着。因此能够从一开始就使用一个具有一个或多个相应开孔或窗口的薄膜，它们例如可以事先通过经济地冲裁或裁切实现。
在下一步骤中将一个导电材料的覆层涂覆到电绝缘材料的覆层和器件的电接触面上。所述电绝缘材料的覆层也是一个用于导电材料的覆层的载体覆层。
当然对于一个衬底，在其上设置多个具有接触面的器件和/或相应地对于具有多个接触面的器件，也都在本发明的范围内。
为了保证更干净地遮盖器件棱边，所述窗口的尺寸不大于器件侧面和/或表面尺寸的99.9％，尤其是不大于99％并且优选不大于95％，在该表面上打开窗口。
为了使器件与衬底接触所述衬底最好具有一个电接触面，它保持空着和/或被外露并且在其上同样涂覆导电材料的覆层。因此使器件电接触面通过导电材料的覆层与衬底的接触面连接。
所述器件的接触面与衬底的接触面最好基本相同大小，用于保证连续的电流。
通过使所述器件设置在衬底上，使衬底与器件构成一个表面轮廓。所述电绝缘材料的覆层尤其涂覆到衬底和器件上，使电绝缘材料的覆层衔接到由衬底和器件构成的表面轮廓上，即，所述电绝缘材料的覆层对应于由衬底和器件构成的表面轮廓在表面轮廓上延伸。而如果按照现有技术逻辑芯片被嵌入一个聚合物里面，则只是聚合物覆层的底面、而不是聚合物覆层本身衔接表面轮廓。
通过使电绝缘材料的覆层衔接在由载体和器件构成的表面轮廓上，尤其是在一个功率器件作为器件使用的时候，同时得到两个优点。一方面，保证在背离载体的器件棱边上一个足够厚度的电绝缘材料的覆层，因此避免在高电压或高场强时击穿。另一方面，使电绝缘材料的覆层除了通常非常大的功率器件以外在衬底上不是这样厚，由此很容易地保证在一个衬底的导体带上的接触面的外露和接触。
所述电绝缘材料的覆层在衬底上直线延伸的部位上的厚度与其在器件上直线延伸部位上的厚度的差别小于50％，尤其是小于20％。在基本相同的部位上的厚度差别最好小于5％甚至小于1％。百分比基数尤其以覆层在器件上在其直线延伸部位上的厚度为基准，因此该厚度为100％。在直线延伸的部位上进行比较，因为覆层在衬底和器件的内棱边上通常较厚，而在背离衬底的器件棱边上通常较薄。
作为衬底可以考虑任意的有机或无机基的电路载体。这些衬底例如是PCB(Printed Circuit Board)衬底、DCB衬底、IM(InsulatedMetal)衬底、HTCC(High Temperatur Cofired Ceramics)衬底和LTCC(Low Temperatur Cofired Ceramics)衬底。
所述电绝缘材料的覆层尤其是由塑料制成。根据继续加工的需要它可以是光敏的或非光敏的。
该覆层通过一个或多个后面的工作步骤进行涂覆帘铸，浸入、尤其是单面浸入，电晕、尤其是静电电晕、印刷、尤其是丝网印刷，顶模，扩散，旋涂，层合一个薄膜。
所述电绝缘材料的覆层不是薄膜有时是有利的。而当作为电绝缘材料的覆层使用一个薄膜时，则层合在一个真空挤压机中进行是有利的。对此可以设想真空深拉、液压真空挤压、真空压力挤压或类似的层合工艺。压力以有利的方式均匀地施加。层合例如在温度为100℃至250℃、压力为1巴至10巴的条件下进行。层合的准确参数、如压力、温度、时间等可能取决于衬底的拓扑结构、薄膜的塑料材料和薄膜的厚度。
所述薄膜可以由任意的热塑塑料、热固塑料和其混合物制成。作为薄膜在按照本发明的方法中优选且有利地使用一个由聚酰亚胺(PI)基、聚乙烯胺(PE)基、多酚基、多醚酮(PEEK)基和/或环氧基的塑料制成的薄膜。在此该薄膜为了改善粘附可以在表面上具有一个粘接层。同样所述衬底表面可以通过一个粘附剂、最好是银锑混合物覆层。
在层合后进行一个退火步骤。通过温度处理和络合改善表面上薄膜的热学的、物理的和机械的粘附特性。
为了涂覆导电材料的覆层、即为了表面接触对导电材料的覆层进行物理的或化学的沉积是有利的。这些物理的方法是溅射和蒸镀(Physical Vapor Deposion PVD)。化学的沉积可以通过气相(Chemical Vapor Deposion，CVD)和/或液相(Liquid PhaseChemical Vapor Deposion，CVD)实现。也可以设想，附加地通过一种上述的方法涂覆一个薄的、例如钛/铜导电分覆层，在其上电镀地沉积一个较厚的例如铜导电分覆层。
在按照本发明的方法中最好使用一个具有一个表面的衬底，它配有一个或多个半导体芯片、尤其是功率半导体芯片，在其每个芯片上存在一个或多个要被接触的接触面，并且其中所述电绝缘材料的覆层在真空条件下涂覆到这个表面上，因此电绝缘材料的覆层紧密顶靠地覆盖这个表面包括每个半导体芯片和每个接触面上并且粘附在这个表面包括每个半导体芯片上。
在此所述电绝缘材料的覆层这样构成，可以越过一个直到1000微米的高度差。该高度差可能由于衬底的拓扑结构并由于设置在衬底上的半导体芯片而引起。
所述电绝缘材料的覆层的厚度可以为10微米至500微米。在按照本发明的方法中最好涂覆一个厚度为25微米至150微米的电绝缘材料的覆层。
在另一设计方案中频繁地重复涂覆，直到电绝缘材料的覆层达到一个确定的厚度。例如将较薄厚度的电绝缘材料分覆层加工成较厚厚度的电绝缘材料的覆层。这些电绝缘材料分覆层有利地由一种塑料材料制成。在此也可以设想，使该电绝缘材料分覆层由多种不同的塑料材料制成。它产生一个由分覆层构成的电绝缘材料的覆层。
在一个特殊的设计方案中为了露出器件的电接触面在电绝缘材料的覆层中通过激光烧蚀打开一个窗口。为此所使用的激光器波长在0.1微米至11微米之间。激光器功率在1W至100W之间。最好使用一个波长为9.24微米的CO2激光器。在此窗口的打开不损害一个可能位于电绝缘材料的覆层下面的由铝、金或铜构成的芯片触点。
在另一设计方案中使用一个光敏的电绝缘材料的覆层并且为了露出器件的电接触面通过一个光刻工艺打开一个窗口。该光刻工艺包括一个光敏的电绝缘材料的覆层的曝光和显影并由此去除电绝缘材料的覆层的已曝光或未曝光的位置。
在打开窗口以后必要时进行一个清洗步骤，其中去除残余的电绝缘材料的覆层。清洗步骤例如湿法化学地实现。尤其也可以设想等离子清洗工艺。
在另一设计方案中使用一个由多个上下设置的不同厚度的导电材料分覆层构成的覆层。例如上下涂覆不同的金属层。分覆层或金属层的数量尤其为2至5层。通过由多个分覆层构成的导电覆层可以组合成一个起到扩散势垒作用的分覆层。这种分覆层例如由一个钛钨合金(TiW)制成。在一个多层结构中以有利的方式直接在要被接触的表面上涂覆一个促进或改进粘附的分覆层。这样一种分覆层例如由钛制成。
在一个特殊的设计方案中在平面接触之后在导电材料的覆层中和/或在导电材料的覆层上产生至少一个导体带。该导体带可以涂覆到覆层上。尤其是为了产生导体带使覆层形成结构。这意味着，所述导体带在这个覆层中产生。该导体带用于例如一个半导体芯片的电接触。
所述结构一般在一个光刻工艺中实现。为此在导电覆层上涂覆一种光刻胶，干燥并接着曝光和显影。可能衔接一个退火步骤，用于使已涂覆的光刻胶相对于下面的处理工艺稳定。作为光刻胶一般考虑正的和负的感光剂(覆层材料)。光刻胶的涂覆例如通过一个电晕或浸入工艺实现。同样可以设想电镀(静电或电泳的沉积)。
代替一种光刻胶也可以通过一个或多个衔接的工作步骤涂覆其它的可以形成结构的材料帘铸、浸入、尤其是单面浸入、电晕、尤其是静电电晕、印刷、尤其是丝网印刷、顶模、扩散、纺涂、层合一个薄膜。
为了形成结构也可以使用光敏薄膜，它们被层合并与涂覆光刻胶层类似地曝光和显影。
为了产生导体带例如可以如下进行在一个第一分步骤中使导电覆层形成结构并在接着的分步骤中在产生的导体带上涂覆另一金属层。通过另一金属层使导体带加厚。例如在通过形成结构产生的导体带上电镀地沉积一个厚度从1微米至400微米的铜。然后分离光刻胶层或层合的薄膜或可选使用的可形成结构的材料。这一点例如通过一种有机溶剂、一种碱性显影剂或类似溶剂实现。通过接着的区别腐蚀再去掉平面的、未被金属层加厚的金属导电覆层。由此产生加厚的导体带。
在一个特殊的设计方案中为了加工一个多层的装置多次地执行步骤层合、外露、接触和产生导体带。
通过本发明以有利的方式提供一个新型的工艺用于使设置在半导体芯片、尤其是设置在功率半导体芯片上的接线片或接线接触面电接触和布线。在按照本发明的方法中扁平的连接和特殊的绝缘体还实现一个低感应的连接，用于实现快速且无损失的接通。
通过涂覆电绝缘材料的覆层加工一个电绝缘层。通过按照本发明的涂覆电绝缘材料的覆层加工绝缘层具有下列优点-在高温下使用。一个电绝缘材料的覆层在适当地选择材料时耐温可达300℃。
-微少的工艺费用。
-通过使用厚的绝缘层实现高的绝缘场强。
-高产量，例如DCB衬底可以实现有效的工艺过程。
-均匀的绝缘特性，因为通过在真空中加工电绝缘材料的覆层防止夹杂空气。
-可以利用整个芯片接触面，因此可以传导大电流。
-通过平面的接触可以均匀地控制芯片。
-对于一个接触面的接触感应由于有利的平面形状小于在粗导线粘接时的接触感应。
-使接触在振动负荷和机械的冲击负荷下具有高可靠性。
-与竞争的方法相比由于微小的热机械应力具有更高的抗交变负荷能力。
-可以接触到更多的布线面。
-所述的平面连接工艺需要更小的结构高度。得到一个紧凑的结构。
-在多层连接平面中可以实现大面积的用于屏蔽的金属层。这尤其对于电路的EMV(电磁兼容性)特性(寄生发射、抗扰度)具有非常积极的作用。
由本方法的优选设计方案相应地得出本装置的优选和有利的设计方案。
借助于附图由一个实施例的描述给出本发明的其它特征和优点。
图1示出一种用于使一个功率半导体接触的方法。
在图1中所述衬底示例地以1表示。这个衬底1例如具有一个DCB衬底，它由一个陶瓷材料衬底覆层10、一个涂覆到衬底覆层10下表面上的铜覆层12和一个涂覆到背离下表面的衬底覆层10表面上的铜覆层11所组成。
所述覆层11在衬底覆层10的上表面上局部地被去掉直到衬底覆层10的上表面，由此在那里使这个上表面外露。通过铜覆层11和12在衬底上构成导体带。
在背离衬底覆层10的所保留的铜覆层11表面上涂覆一个或多个半导体芯片2，它们相互间可以是相同的和/或相互不同的。
所述半导体芯片2，它最好是一个功率半导体芯片，通过一个未示出的接触面平面地接触铜覆层11的上表面，该接触面位于面对铜覆层11的半导体芯片2的下表面上。这个接触面例如与铜覆层11钎焊。
在背离铜覆层11和下表面的芯片2的上表面上存在一个触点，它具有一个背离半导体芯片2的接触面210。
如果该半导体芯片2例如是一个晶体管，则在这个半导体芯片2的下表面上的接触面是一个集电极或漏极触点的接触面而在半导体芯片2的上表面上的触点是一个发射极或源极触点，其接触面是接触面210。
配有半导体芯片2的衬底1的整个上表面通过衬底覆层10的上表面的外露部分、在半导体芯片2以外的铜覆层11的上表面的外露部分并通过各半导体芯片2的外露表面本身给出，该表面由这个芯片2的上表面和侧表面确定。
在配有半导体芯片2的衬底1的整个表面上在步骤301中在真空条件下涂覆一个电绝缘塑料材料的覆层3，因此这个电绝缘材料的覆层3通过接触面紧密顶靠地覆盖配有半导体芯片2的衬底1的表面并粘附在这个表面上。电绝缘材料的覆层3在此衔接在通过外露的衬底覆层10上表面部分、在半导体芯片2以外的铜覆层11的上表面部分并通过各半导体芯片2的外露表面本身给出的表面轮廓上，芯片的表面由这个芯片2的上表面和侧表面确定。
在步骤301中电绝缘材料的覆层的涂覆最好通过一个或多个衔接的工作步骤实现帘铸、浸入、尤其是单面浸入、电晕、尤其是静电电晕，印刷、尤其是丝网印刷、顶模、扩散、旋涂。
电绝缘材料的覆层3也可以特别优选通过层合一个薄膜涂覆，尤其是一个聚酰亚胺基或环氧基的塑料材料薄膜。为了改善粘附可以接着进行退火步骤。
电绝缘材料的覆层3作为绝缘体并作为继续涂覆的导电材料的覆层4的衬底。
电绝缘材料的覆层3的典型厚度在25-150微米，其中较厚的覆层可以由较薄的电绝缘材料分覆层的层序实现。由此可以以有利的方式实现几十千伏/毫米范围的绝缘场强。
现在在步骤302中通过在电绝缘材料的覆层3中打开一个窗口31露出每个要被接触的接触面。
一个要被接触的接触面不仅是一个半导体芯片2上的一个接触面210，而是也可以是每个通过在电绝缘材料的覆层3中打开一个窗口31外露的铜或其它金属覆层11的上表面的部位。
用于接触的器件接触面210而打开的窗口的尺寸大于器件尺寸的60％，最好大于80％。
最好通过激光烧蚀在电绝缘材料的覆层3中打开一个窗口31。
然后在步骤303中使器件的外露接触面210和衬底1上的每个外露接触面112与一个导电材料、最好是金属覆层4平面接触，通过使外露的接触面210和112通过常见的工艺金属化并形成结构并因此平面地接触。
例如导电材料的覆层4可以整个平面地不仅涂覆到每个接触面210和112上而且涂覆到背离衬底1表面的电绝缘材料的覆层3的上表面上，然后例如通过光刻形成结构，使每个接触面210保持平面接触并产生在接触面210和112和电绝缘材料的覆层3上延伸的导体带4，6。
为此最好进行下面的工艺步骤(半添加结构)i)溅射一个约100纳米厚的钛粘附层和一个约200纳米厚的铜导电层4(步骤303)。
ii)在使用厚胶层或光刻膜5的情况下光刻(步骤304)。
iii)通过一个导电层6电镀地加厚显影露出的部位。在这里层厚能够直到500微米(步骤305)。
iv)去掉胶层和区别腐蚀铜和钛(步骤306)。
也可以这样进行，在背离衬底1表面的电绝缘材料的覆层3的上表面上涂覆一个掩模，它使接触面210和112以及用于在接触面210和112和电绝缘材料的覆层3上延伸的导体带4，6的部位空着，然后将导电材料的覆层4整个平面地涂覆到掩模和接触面210和112以及被掩模空着的部位上。然后去除具有位于掩模上的覆层4的掩模，因此只在无掩模的部位上保留其余的平面接触的接触面210和112和在接触面210和112和电绝缘材料的覆层3上延伸的导体带4，6。
任何情况下都接着制备一个由一个衬底1构成的装置，它包括具有一个表面的器件2，在该表面上设置电接触面210，112，在该装置中在表面上涂覆一个电绝缘材料的覆层3形式的绝缘体，它紧密地顶靠在表面上并粘附在表面上并且在该装置中使电绝缘材料的覆层3对于接触面210和12分别具有窗口31，在窗口中这个接触面210，112从电绝缘材料的覆层3中露出来并与一个覆层4并例如也与导电材料的覆层6平面接触。这个装置的具体结构由上面的描述中给出。
权利要求
1.具有一个设置在衬底(1)上的器件(2)的装置的制造方法，其中该器件(2)具有一个电接触面(210)，其中，-使一个电绝缘材料的覆层(3)涂覆到衬底(1)和器件(2)上，-通过在电绝缘材料的覆层(3)中开着和/或打开一个大于器件侧面和/或表面尺寸60％的窗口，该窗口在该表面上开着和/或打开，使所述器件的电接触面(210)至少局部地空着和/或外露，-使一个导电材料的覆层(4)涂覆到电绝缘材料的覆层(3)和器件的电接触面(210)上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述窗口的尺寸大于器件侧面和/或表面尺寸的80％，该窗口在该表面上开着和/或打开。
3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述窗口的尺寸不大于器件侧面和/或表面尺寸的99.9％，尤其是不大于95％，该窗口在该表面上开着和/或打开。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底(1)具有一个电接触面(112)，使衬底(1)的电接触面(112)空着或外露，并且使导电材料的覆层(4)也涂覆到衬底的电接触面(112)上。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电绝缘材料的覆层(3)借助于一个或多个后面的工作步骤实现涂覆帘铸，浸入、尤其是单面浸入，电晕、尤其是静电电晕、印刷、尤其是丝网印刷，顶模，扩散，旋涂，层合一个薄膜。
6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于电绝缘材料的覆层(3)使用一个由聚酰亚胺基、聚乙烯胺基、多酚基、聚醚酮基和/或环氧基的塑料制成的薄膜。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电绝缘材料的覆层(3)通过层合一个薄膜涂覆并且在层合薄膜之后执行一个退火步骤。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述器件(2)是一个功率电子器件，尤其是一个功率半导体。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述器件(2)在衬底(1)的表面法线方向上至少70微米厚，尤其是至少100微米厚。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底(1)具有一个导体带(11，12)，它至少100微米厚，尤其是至少150微米厚。
11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底和器件构成一个表面轮廓并且所述电绝缘材料的覆层(3)涂覆到衬底(1)和器件(2)上，使所述电绝缘材料的覆层(3)衔接在由衬底(1)和器件(2)构成的表面轮廓上。
12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述电绝缘材料的覆层(3)在衬底(1)上直线延伸的部位上的厚度与电绝缘材料的覆层(3)在器件(2)上直线延伸部位上的厚度的差别小于50％，尤其是小于20％。
13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述器件的电接触面(210)通过激光烧蚀外露。
14.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于电绝缘材料的覆层(3)使用一种光敏材料并且所述器件的电接触面通过光刻工艺外露。
15.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述导电材料的覆层(4)以多个上下设置的不同的导电材料分覆层涂覆，其中尤其一个上分覆层通过电镀的生长涂覆。
16.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了加工一个多层装置多次地执行步骤涂覆电绝缘材料的覆层、露出接触面和涂覆导电材料的覆层。
17.一种装置，具有一个设置在衬底(1)上的器件(2)，其中该器件(2)具有一个电接触面(210)，其中-使一个电绝缘材料的覆层(3)涂覆到衬底(1)和器件(2)上，-通过在电绝缘材料的覆层(3)中开着和/或打开一个大于器件侧面和/或表面尺寸60％的窗口，该窗口在该表面上开着和/或打开，使所述器件的电接触面(210)从绝缘材料的覆层(3)中外露，-使一个导电材料的覆层(4)涂覆到电绝缘材料的覆层(3)和器件的已外露的电接触面(210)上。
全文摘要
在一个衬底和一个设置在衬底上的器件上涂覆一个电绝缘材料的覆层，使它衔接在由衬底和器件构成的表面轮廓上。
文档编号H01L23/538GK1799134SQ200480005284
公开日2006年7月5日 申请日期2004年1月23日 优先权日2003年2月28日
发明者N·泽利格尔, K·魏德纳, J·查普夫 申请人:西门子公司