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CN1371126A - 半导体模块及其制造方法 - Google Patents

半导体模块及其制造方法 Download PDF

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CN1371126A CN02102810.9A CN02102810A CN1371126A CN 1371126 A CN1371126 A CN 1371126A CN 02102810 A CN02102810 A CN 02102810A CN 1371126 A CN1371126 A CN 1371126A
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雷蒙德·派尔默
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Opec European Power Semiconductor Co ltd
Infineon Technologies AG
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JUPEICK GmbH
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Abstract

在一个半导体模块中,所述半导体模块具有至少一个直接排布在衬底主体(3,4,5)上的半导体元件(1),该模块包括一具有金属层(4)的绝缘陶瓷(3),至少一个连接导体(6,7)通过焊接,特别是激光微焊,被连接到金属层(4)上。

Description

半导体模块及其制造方法
在电和电子设备中，一些适当的电子电路通常以模块的形式构成，即由分别位于一个公用衬底上的多个单独半导体元件或半导体元件组构成并且可以预制在衬底上以简化该设备的组装。在出现损坏的情况下，与单个的元件或整个电路相比，模块也更加容易更换。
在构造和设计这种类型的半导体模块时，需要一种稳定、可靠和价格低廉的布局。而且，需要模块的总体积尽可能最小。尤其是，机械稳定性以及消耗所产生的热损耗的可能性也应在考虑之列。
绝缘陶瓷通常被用作这种类型的半导体模块的衬底主体，所述绝缘陶瓷的至少面向半导体元件的顶面上具有一个金属层，该金属层例如以导电轨道的形式存在。
如此设计的问题在于使线路与衬底主体的金属层以一种尽可能耐用和稳定、并具有最佳传导性的方式连接在一起。
本发明涉及一种半导体模块，该模块具有至少一个直接排布在衬底主体上的半导体元件，该模块具有一个绝缘陶瓷和一个位于面向半导体元件的绝缘陶瓷顶面上并固定连接到绝缘陶瓷上的金属层。
本发明的目的在于在这种类型的半导体模块中创建一种与衬底主体的金属层的可靠连接，其具有在一个延长的时间周期上的较好导电性。
依据本发明，通过借助于焊接，特别是微焊的方式，将至少一个连接导体与金属层连接在一起。
为了使连接导体与基于绝缘陶瓷的衬底主体金属层相连接，公知的方法是将连接导体焊接到金属层上或将通过接合(bonding)技术而与金属层相连的接合线作为连接导体而形成。
使用焊接技术导致了机械上的强连接，其擅长向衬底主体发散例如在焊接操作中产生的损失热。但是，焊接连接容易由于结构变动和热负载而损坏并且随着时间的推移而脱焊。
与一个焊接连接点相比，通过接合(bond)而产生的连接点被认为更加柔韧和更能承受负载的变动，而且几乎不会受到来自半导体元件的损失热的影响。
在这一点上，熔焊(welded)连接具有如下优点：首先，非常坚固并能够承受负载的变动，其次，部分由于连接导体与金属层之间的连接特性而确保了较好的热传输。在工艺设计方面的优点在于在例如以焊接的方式将连接导体连接到金属层的同时，不需要引入任何其他材料。
利用熔焊技术来生成导电连接在原理上是公知的，但将这种技术应用在衬底主体上的半导体模块中并非公知的；相反，这种技术只是在用于一个大规模印制电路板上时是公知的。
由于半导体模块的总体积较小，所以需要一种非常精确的熔焊技术，例如通过激光微焊。激光微焊操作能够完全自动地用于生产依据本发明的半导体模块。
本发明的较优配置提供了由Al2O3构成的绝缘陶瓷衬底主体。
这种陶瓷的价格特别低廉，而且具有较好的绝缘性能和较低的热膨胀率，从而使在连接处温度波动时所产生的机械负载被保持在一个较低的水平。这同样有利于熔焊连接的稳定性。
本发明的另一较优配置提供了由铜构成的金属层。这允许从连接导体向衬底主体进行较好的热传输并允许产生一个永久焊缝。
本发明的特殊优点在于衬底主体被设计为一个DCB衬底。
通过使具有一薄层氧化物的铜箔与Al2O3陶瓷相连接并将其加热到在铜和陶瓷之间形成共熔相为止而形成DCB(直接铜接合)衬底，从而在该复合体冷却之后于铜层和陶瓷之间形成密切的接合。
这种固定连接具有确保复合体的总热膨胀系数基本上等于陶瓷的热膨胀系数的效果。
因此，总的结果是在温度变化的情况下具有较低的热膨胀系数。从而在利用DCB衬底时，金属层与连接导体之间的连接处上的机械负载保持在一个特别低的水平上。
但是，也可以利用由AlN或BeO构成的绝缘陶瓷。
本发明还涉及一种用于制造依据权利要求1到6中任一所述的半导体模块的方法，该模块具有至少一个直接排布在衬底主体上的半导体元件，所述衬底主体包括一绝缘陶瓷和位于绝缘陶瓷顶面上、面向半导体元件并固定连接到绝缘陶瓷上的金属层。
为了达到以尽可能简单的方式在连接导体和金属层之间生成一可靠和永久性连接的目的，依据本发明提供了至少一个通过焊接，特别是激光微焊被连接到金属层上的连接导体。
本方法执行起来非常简单和迅速，并且完全能够实现自动化。在连接操作过程中不再需要引入其它的材料。而且易于监测和控制连接的质量。
本发明也可以通过连续点焊将连接导体连接到金属层上。
下面将依据附图和实施例来详细描述本发明。
图1示出了半导体模块的截面图；
图2以两幅图示出了一个连接导体和一金属层之间的焊接接头；
图3以两幅图示出了在另一实施例中的焊接接头。
图1简要地示出了一个半导体模块的结构，该模块具有一个直接排布在衬底主体2上的半导体元件1。该衬底主体2被设计成一个DCB(铜直接接合)主体，包括一由Al2O3构成的绝缘陶瓷，其两面上分别带有一与绝缘陶瓷固定连接的铜层4，5。
半导体元件1可被中间粘接或焊接在金属层4上。依据本发明，连接导体7通过激光微焊被焊接在金属层4的区域8，9中。
由于金属层4，5与绝缘陶瓷3之间的固定连接，DCB主体在机械上是稳定的，并且具有非常低的热膨胀系数，从而连接导体7能够通过焊接而永久地连接到金属层4上并且能够承受变动中的负载。
图2更详细地示出了连接导体非常牢固且通过激光微焊来进行连接。
该图以图解法描述了截面下的绝缘陶瓷3和铜金属层4，以及连接导体7的一端。在其面向衬底主体的一端上，连接导体以其一端10沿平行于铜金属层4表面的方向延伸的方式被接合在铜金属层4上。
通过在形成于连接导体的端10与铜金属层4之间的连接边沿上连续地进行点焊，在连接导体7的一侧形成一条点焊焊缝11而在连接导体7的另一侧形成另一条点焊焊缝12。其结果是连接导体以电可靠的方式被机械固定到铜金属层4上，同时确保具有较好的热耦合。
通过如不同位置所指示的微激光而产生点焊焊缝，在图中以星形标记象征性地指示微激光和激光束。
图3示出了本发明的一个变例，其中只通过激光束从相对于连接导体的一个方向上进行焊接。因此，在自动焊接操作过程中，激光可以大体上保持在一个位置或工作面上，在半导体模块的形式下，不必移动到激光的不同侧，反之亦然。图3中象征性地示出了激光14所在的方向。为了产生一个多部分组成的、可靠的焊接接头，只需要在严格范围内改变激光的入射角度就可以了。
在这种连接中，如果在通过点焊焊缝而焊接形成于弯脚15和衬底铜金属层18之间的接合边沿上，被弯成直角的连接导体13的弯脚(foot)15具有一个或多个沟槽16，17是非常有利的。其结果是具有足够长的焊缝以形成连接导体13的弯脚15与机械、热和电性能俱佳的铜金属层18之间的连接。
所述焊接技术的应用能够特别有利地应用在DCB衬底上，但是也可以用于AlN衬底或BeO衬底上，其中每种衬底都涂有一层铜或类似的金属(例如铝)。
最后，本发明也可用于涂有一层金属或非金属涂层的衬底主体的连接导体7，13和金属层4，18中，所述涂层例如为镍、银、锡和氧化物等。

Claims (13)

1、一种半导体模块，所述半导体模块具有至少一个直接排布在一个衬底主体(2)上的半导体元件(1)，所述半导体模块具有一绝缘陶瓷(3)和一位于绝缘陶瓷顶面上、面向半导体元件(1)且固定连接到绝缘陶瓷(3)上的金属层(4，18)，其特征在于半导体元件(1)的至少一个连接导体(7，13)通过焊接被连接到金属层(4，18)上。
2、如权利要求1所述的半导体模块，其特征在于衬底主体(2)的绝缘陶瓷由Al2O3构成。
3、根据权利要求1或2所述的半导体模块，其特征在于金属层(4，18)由铜和/或铝构成。
4、根据权利要求3所述的半导体模块，其特征在于衬底主体(2)被设计为一个DCB衬底和/或一个AMB衬底。
5、根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于绝缘陶瓷由AlN构成。
6、根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于绝缘陶瓷由BeO构成。
7、根据前面任一权利要求所述的半导体模块，其特征在于连接导体(7，13)包含Cu，Al，CuSn和/或CnZn。
8、根据前面任一权利要求所述的半导体模块，其特征在于金属层(4，18)是涂敷的一层。
9、根据前面任一权利要求所述的半导体模块，其特征在于连接导体(13)具有一个弯成直角的弯脚(foot)(15)。
10、根据前面任一权利要求所述的半导体模块，其特征在于弯脚(15)具有一个或多个沟槽(16，17)。
11、根据权利要求10所述的半导体模块，其特征在于沟槽(16，17)的宽度近似等于弯脚(15)的厚度。
12、用于制造根据前面任一权利要求所述的半导体模块的方法，所述半导体模块具有至少一个直接排布在一个衬底主体(2)上的半导体元件(1)，所述半导体模块具有一绝缘陶瓷(3)和一位于绝缘陶瓷顶面上、面向半导体元件(1)且固定连接到绝缘陶瓷(3)上的金属层(4，18)，其特征在于半导体元件(1)的至少一个连接导体(7，13)通过焊接被连接到金属层(4，18)上。
13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于连接导体(7，13)通过连续的点焊而连接到金属层(4，18)上。
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