具有防腐蚀压焊连接的电子构件和用于制造该构件的方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有防腐蚀压焊连接的电子构件(1)和用于制造这种电子构件的方法。为此电子构件(1)在衬底(4)上具有至少一个半导体芯片(3)。此外，在半导体芯片(3)上设有承受腐蚀风险的压焊连接。作为至少一个半导体芯片(3)和至少一个承受腐蚀风险的压焊连接的封装，它们由密闭包封的外壳(5)包围。密闭包封的压焊连接是压焊引线连接(2)，它完全地与至少部分的衬底(4)包封在外壳(5)内。衬底(4)在外壳(5)内具有至少一个表面安装的易水解的元件(6)。
【专利说明】具有防腐蚀压焊连接的电子构件和用于制造该构件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有防腐蚀压焊连接的电子构件和一种用于制造该电子构件的方法。为此电子构件在衬底上具有至少一个半导体芯片。此外，半导体芯片上具有承受腐蚀风险的压焊连接。作为至少一个半导体芯片和至少一个承受腐蚀风险的压焊连接的封装，它们由密闭包封的外壳包围。
【背景技术】
[0002]为此，文献DE 10 2008 024 599 Al公开了与衬底直接接触的外壳封装的有源微型结构。为此微型结构化的构件具有有源的微型结构元件、衬底以及半导体电路。衬底上设置至少一个外壳，包括处于里面的一个或多个有源的微型结构，其中，至少一个有源结构穿过包围它们的外壳与衬底的电导路电接触。
[0003]外壳为此由底元件和盖元件组成，有源结构处于它们之间，其中，底元件与盖元件通过密封框连接。底元件和/或盖元件可以具有其内设置有消气材料的凹槽，该消气材料在活化的情况下以可确定的方式吸收气体分子并因此改变外壳内的气体氛围。消气材料可以用于吸收湿气或捕获颗粒。与半导体电路的接触部位可以是压焊面。
[0004]文献DE 196 03 746 Al公开了一种电致发光的层系统，其在层系统的内部具有由消气金属或吸湿聚合物构成的消气层。吸湿聚合物具有黏合聚合物和粉末状吸湿材料的混合物。消气层保证不会有残余的氧和/或水到达电致发光的层系统。
[0005]在外壳内具有内腔或空腔的电子构件的情形(衬底上的不封装的半导体结构元件设置在外壳内并且在半导体芯片上的压焊引线连接在外壳内承受该内腔或空腔的大气)不能与密封包装的层系统相比，特别是当在层系统内既不存在也不用保护的金-铝细引线压焊连接需要在密闭包封的外壳内受保护时。
[0006]相反，公知当在密闭包封的外壳内部使用有机硅时，在没有保护气体防护的情况下在更高温度时会产生水。水与最小量的卤化物的结合下形成电解质，其增加金-铝细线压焊连接中金-铝相的腐蚀并因此会导致这种压焊引线连接的提前报废，这减小了电子构件的使用寿命。在这种情况下，密闭包封的电子装置包装气密地填充有氦或氮形式的保护气体，以延长腐蚀过程进而提高这种电子构件的使用寿命。
[0007]额外地可以设有用于化合反应密闭外壳内的气体的消气金属层，其中，文献DE196 03 746 Al公开了适用的消气金属，例如像钙、锂或锶。这种消气物质自身或通过蒸发、溅射或热活化在消气层内提供这种消气物质是相对昂贵且相对操作复杂的。提供其他替代的防腐蚀压焊连接在于，在半导体芯片的铝金属合金上施加含有贵金属的保护层。
【发明内容】
[0008]依据本发明，提供一种具有防腐蚀压焊连接的电子构件和一种用于制造该电子构件的方法。为此电子构件在衬底上具有至少一个半导体芯片。此外，半导体芯片上具有承受腐蚀风险的压焊连接。作为至少一个半导体芯片和至少一个承受腐蚀风险的压焊连接的封装，它们由密闭包封的外壳包围。密闭包封的压焊连接是一种压焊引线连接，它全部地与至少部分的衬底同时包封在外壳内。衬底在外壳内具有至少一个表面安装的易水解的结构元件。
[0009]通过加入易水解的结构元件，密闭包封的外壳的气体大气内的水分可以通过易水解元件的易水解材料的水解减少，使得不再提供用以腐蚀承受腐蚀风险的压焊引线连接的足够量的用于形成电解质的水。
[0010]在本发明的另一种实施方式中，易水解结构元件具有顶面、底面和设置在顶面与底面之间的边缘面，其中，易水解结构元件的底面具有至少一个可表面安装的分子层。这种可表面安装的分子层可以是黏合剂的组成部分或易水解结构元件的易水解材料的分子层。
[0011]此外规定，易水解结构元件具有易水解的芯材，该芯材消除外壳内腔的大气的水分子。易水解结构元件的芯材还可以至少在易水解结构元件的顶面和边缘面上具有半渗透性的涂层。半渗透性的涂层支撑易水解结构元件的形状并对水分子是渗透性的。
[0012]在本发明的另一种实施方式中，易水解结构元件具有易水解的塑料。易水解的塑料可以是易水解的聚合物，该聚合物在其水解时从外壳的内腔提取水分子。在此，易水解的塑料通过水解在塑料超过玻璃化转变温度时进行强化的皂化。由于水解的皂化是塑料的酯化的逆反应，从而作为塑料可以具有易水解的聚酯，其优选可以具有易水解的聚对苯二甲酸二丁酯。
[0013]用于制造具有至少一个防腐蚀压焊连接的电子构件的方法具有以下方法步骤。首先制造至少一个半导体芯片。将该半导体芯片安装在衬底上。然后在至少一个半导体芯片与衬底之间制造至少一个压焊引线连接。此外，执行具有易水解材料的至少一个结构元件在衬底上的表面安装。此后可以将至少一个半导体芯片、至少一个压焊引线连接、至少一个具有易水解材料的结构元件和至少部分衬底密闭封装在外壳内。最后在消除外壳内腔的大气的水分子的情况下在温度超过易水解材料的玻璃化转变温度时进行电子构件的退火(Tempern)。在此，当该构件的使用位置(例如在机动车辆的发动机仓中)的环境温度超过易水解材料的玻璃化转变温度时，该退火也可以在该构件的工作期间进行。
[0014]在将至少一个半导体芯片安装在衬底上时，同时也可以进行具有易水解材料的至少一个元件的安装，如果这两者都通过材料配合的连接、例如通过衬底上的黏合剂层实现。如果此外通过穿过外壳实现到电子构件的馈电线，那么衬底可以不仅部分地，而且也可以全部地安装在密闭包封的外壳内。在此，密闭包封的外壳可以由外壳底部件和外壳盖件连同设置在它们之间的气密连接元件组成。
[0015]本发明的优点
[0016]这种电子构件带来的优点是，使对腐蚀敏感的压焊引线连接防腐蚀，该压焊引线连接在一端将金合金线与衬底上的例如铜导线的金涂层的接触面连接，而另一端金合金线的设置在半导体芯片上的压焊连接与半导体芯片上的铝接触面产生连接。这种防腐蚀有利地由此实现，即通过设置在衬底上的水解敏感结构元件使在密闭包封的外壳内的大气的水分子减少，使得在封闭外壳大气内的卤族残余不能再形成腐蚀性的电解质。
[0017]因此可以完全省去以昂贵的稀有气体或惰性气体填充密闭包封的外壳。此外简化了构件的制造，因为仅在衬底上固定依据本发明设置的可表面安装的水解敏感的结构元件。此外，在结构敏感结构元件的上面和边缘面上的半渗透性的涂层的优点是，通过聚酯、如聚对苯二甲酸二丁酯的酯化的皂化产生的物质保持限制为易水解结构元件的体积并且不会在外壳的内腔内扩散。为了易水解结构元件的表面安装设有例如黏合剂层的黏附分子层的优点是，以限制为黏合剂层的大小的方式保持形成的皂化的物质的持久固定。
[0018]该构件的优点特别是，在同时减少防腐蚀费用的情况下，以十的幂次提高半导体芯片上压焊引线连接的金-铝连接的寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]现借助附图对本发明的其他方案和优点做进一步说明。其中:
[0020]图1示出依据本发明的一种实施方式的电子构件的示意图；
[0021]图2示出半导体芯片上的金-压焊引线连接的金属间相的视图；
[0022]图3示出具有被腐蚀的金属间相的标记的受到腐蚀的、无保护的金-压焊引线连接的剖切图；
[0023]图4示出依据图1的实施方式的电子构件的防腐蚀的金-压焊引线连接的剖切图。
【具体实施方式】
[0024]图1所示的依据本发明的一种实施方式的电子构件I的示意图示出了具有底部区域13和盖板区域14的封闭外壳5，其中，底部区域13与盖板区域14接合，使得在外壳5内形成密闭包封的内腔12。在底部区域13上，利用导热的硅黏合剂层15固定陶瓷材料构成的衬底4。这种硅黏合剂层15，公知它们在高于室温的温度下会向内腔12的大气内散发水分子。无外壳的半导体芯片3利用填充有含银填料颗粒的环氧树脂黏合剂17导电地固定在衬底4的上面16上。
[0025]半导体芯片3的上面18设置由例如4重量％的含硅铝合金构成的铝压焊面19，在该压焊面上热压地压焊有金压焊引线连接2。从压焊引线连接2引出直径在12 μ m到20 μ m之间的金焊线20并以第二末端固定在衬底4的上面16上的具有铜导线金金属化的压焊面21上。如果除了发散水分子的源在外壳内部还存在发散卤化物的干扰源23，则半导体芯片3上的压焊引线连接2承受腐蚀风险，从而可能形成导致腐蚀的电解质。为了保护压焊引线连接2防止这种腐蚀，在衬底4的上面16上设置可表面安装的易水解的结构元件6，其具有上面7和可表面安装的底面8。
[0026]在上面7与底面8之间设置边缘面9。为进行表面安装设有至少一个分子层10，其将易水解的结构元件6与衬底4的上面16材料配合地连接。易水解的结构元件6具有由易水解材料构成的芯材11，该芯材在本发明的这种实施方式中是聚对苯二甲酸二丁酯形式的聚酯，其通过吸收水分子皂化并因此使构件I的内腔12的大气的水分子变少，从而抑制含有残余卤化物的电解质形成。聚对苯二甲酸二丁酯构成的芯材11因此向内腔12的气体大气的水分子施加消气作用，从而可以省去昂贵的可选择的消气层或为这种电子构件充入稀有气体。
[0027]图2示出热压地压焊在半导体芯片3的上面18的铝压焊面19上的金线连接的金属间相的示意图。首先在图2中可以看出热压地压焊时形成的典型的钉头形状22，其中，直径在12到50微米之间的圆形金线20由于在此期间形成的悬挂在金线20上的金熔珠在压向铝压焊面19上时变形成典型的钉头形状22。因此这种压焊方法也称为“钉头压焊(nail-head-bonding) ”。在此,在从钉头形状22到招压焊面19的过渡部中产生Au4Al的第一金属间相和其下面实际上消耗铝压焊面整个厚度的第二金属间相Au8A13。环绕钉头形状22的环在到铝压焊面19的过渡部中构成富铝的第三金属间相AuA12。金线20与铝压焊面19之间的这种热压地压焊的焊线连接承受腐蚀风险下，正如图3所示。
[0028]图3示出具有被腐蚀的金属间相的标记的受到腐蚀的、无保护的金-压焊引线连接2的剖切图。图2中原来示出的钉头形状22不再有很多的残留，确切地说它分开并在那里至少在图3左侧的区域内在到铝涂层的过渡部处已经接近中断。这种腐蚀过程取决于工作时间并将其对于电子构件限制为相对短的寿命。在此，在这里通过不同深色的区域也可以看出在从由金组成的钉头22到铝压焊面19的过渡部中的第一金属间相Au4Al,并还存在直接处于娃表面上的第二金属间相Au8Al3以及包围钉头22的富招的第三金属相AuA12。
[0029]与此相比图4示出依据图1的实施方式的电子构件内具有完好的金属间相结构的标记的防腐蚀的金-压焊引线连接2的剖切图。不仅在从金线20到钉头22的过渡区内的钉头轮廓在十倍的测试时间后与图3中的结果相比仍保持不变，而且金属间金-铝相的其余区域在铝压焊面19上仍完好无损。
【权利要求】
1.具有防腐蚀压焊连接的电子构件，包括: -在衬底(4)上的至少一个半导体芯片(3)； -在半导体芯片(3)上的至少一个承受腐蚀风险的压焊连接； -密闭包封至少一个半导体芯片(3)和至少一个承受腐蚀风险的压焊连接的外壳(5)，其中压焊连接是压焊引线连接(2)，以及其中压焊连接(2)完全地与至少部分的衬底(4)密闭包封在外壳(5)内，以及其中在衬底(4)上设置至少一个可表面安装的易水解结构元件(6)。
2.按权利要求1所述的电子构件，其中，易水解结构元件(6)具有上面(7)、底面(8)和设置在上面(7)与底面(8)之间的边缘面(9)，以及其中易水解结构元件(6)的底面(8)具有可表面安装的分子层(10)。
3.按权利要求1或权利要求2所述的电子构件，其中，易水解结构元件(6)具有易水解的芯材(11)，该芯材消除外壳(5)的内腔(12)大气中的水分子。
4.按权利要求3所述的电子构件，其中，易水解结构元件(6)的芯材(11)至少在易水解结构元件(6)的上面(7)和边缘面(9)上具有半渗透性的涂层，以及其中半渗透性的涂层支撑易水解结构元件(6)的形状并对水分子是渗透性的。
5.按前述权利要求之一所述的电子构件，其中，易水解的元件(6)具有易水解的塑料。
6.按权利要求5所述的电子构件，其中，塑料具有易水解的聚合物，该聚合物在其水解时从外壳(5)的内腔(12)提取水分子。
7.按权利要求5或权利要求6所述的电子构件，其中，易水解的塑料通过水解在塑料超过玻璃化转变温度时具有强化的皂化。
8.按权利要求5-7之一所述的电子构件，其中，塑料是易水解的聚酯。
9.按权利要求5-8之一所述的电子构件，其中，塑料是易水解的聚对苯二甲酸二丁酯。
10.用于制造按前述权利要求之一所述电子构件(I)的方法，该方法具有以下方法步骤: -制造至少一个半导体芯片(3)； -将至少一个半导体芯片(3)安装在衬底(4)上； -在至少一个半导体芯片(3)与衬底(4)之间制造至少一个压焊引线连接(2); -将具有易水解材料的至少一个结构元件(6)表面安装在衬底(4)上； -将至少一个半导体芯片(3)、至少一个压焊引线连接(2)、至少一个具有易水解材料的结构兀件(6)和至少部分衬底(4)密闭封装在外壳(5)内； -在消除外壳(5)的内腔(12)的气氛的水分子情况下在温度超过易水解材料的玻璃化转变温度时将电子构件(I)退火。
【文档编号】H01L23/053GK104054170SQ201280066623
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2012年1月11日
【发明者】J·迪尔, R·贝克尔, S·拉默斯, L·米勒, F·贝茨, M·施勒希特 申请人:罗伯特·博世有限公司