專利名稱：帶低溫壓力燒結(jié)連接的兩個連接配對件系統(tǒng)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明介紹了一種借助低溫壓力燒結(jié)連接的兩個連接配對件的系統(tǒng)以及這樣的系統(tǒng)的制造方法。
背景技術(shù)：
這樣的系統(tǒng)例如已經(jīng)在功率電子電路領(lǐng)域充分公知。在那里，例如功率半導(dǎo)體構(gòu)件材料配合地與襯底相連接，并且被布置在功率半導(dǎo)體模塊中。例如DE 10 2005 058 794 Al描述了一種用于構(gòu)造這種連接的周期性方法的系統(tǒng)，其中，用于周期性運行的擠壓系統(tǒng)具有擠壓沖頭和可加熱的擠壓臺，并且其中，在壓力下穩(wěn)定的傳送帶以直接在擠壓臺的上方運行的方式來布置。此外，在帶有布置于其上的構(gòu)件的襯底與所述擠壓沖頭之間設(shè)置有保護箔片。但根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，例如在DE 34 14 065 C2中公開的那樣，為此必需的是，連接配對件的接觸面分別具有貴金屬表面，優(yōu)選為銀表面。這一點這樣是有缺陷的，因為大量連接配對件由非貴金屬或者其他非金屬的材料構(gòu)成。在此情況下，必須根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)為所述材料設(shè)有貴金屬層，以便可以借助低溫壓力燒結(jié)來實現(xiàn)材料配合的連接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于如下任務(wù)，S卩，提出一種具有兩個連接配對件的材料配合的連接的系統(tǒng)，以及所屬的制造方法，其中，兩個連接配對件中的至少一個具有要進行連接的接觸面， 該接觸面由非貴金屬構(gòu)成，并且其中，所述材料配合的連接是低溫壓力燒結(jié)連接。所述任務(wù)依據(jù)本發(fā)明通過具有權(quán)利要求1所述特征的系統(tǒng)以及通過依據(jù)權(quán)利要求5所述的方法得以解決。優(yōu)選的實施方式在各從屬權(quán)利要求中加以介紹。所述依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)具有兩個連接配對件，所述連接配對件借助低溫壓力燒結(jié)連接而彼此材料配合地相連接。為此，兩個連接配對件的每個分別具有作為表面區(qū)段一部分的接觸面。所述兩個連接配對件的相應(yīng)接觸面借助含貴金屬的連接劑而材料配合地相互連接。所述連接劑具有如下質(zhì)量份額的貴金屬，該質(zhì)量份額為最高至100%。在此，數(shù)值優(yōu)選在80 %與99 %的質(zhì)量百分數(shù)之間。為此，各連接配對件的接觸面形成表面區(qū)段的一部分。在兩個連接配對件的至少一個中，所述表面區(qū)段由非貴金屬構(gòu)成，其表面在與連接劑相鄰接的接觸面的區(qū)域內(nèi)是金屬的，并且其在旁側(cè)與所述接觸面相鄰接的表面區(qū)域具有金屬氧化物。優(yōu)選的是，所述非貴金屬是鋁、銅或銅合金。為了制造這種依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，要使用如下的方法，其特征在于以下依次進行的步驟·準備具有由非貴金屬構(gòu)成的表面區(qū)段的第一連接配對件，該表面區(qū)段具有位于其上的平面式的金屬氧化物層。
·將還原劑涂覆到所述表面區(qū)段的設(shè)置為第一連接配對件的第一接觸面的區(qū)域上。在此情況下，還原劑具有優(yōu)點地以液相或者固相來涂覆。在此情況下，優(yōu)選的是，所述還原劑自身具有某一沸點或者升華點，所述沸點或升華點不高于并且最多低于如下的溫度 20K，所述溫度是在用于構(gòu)造低溫壓力燒結(jié)連接的制造方案的其他流程中對所述系統(tǒng)施以的那個溫度。原則上，為此適用許多有機酸或者無機酸。·將由燒結(jié)膏構(gòu)成的層涂覆到還原劑上。在此情況下，優(yōu)選的是，所述接觸面未完全被還原劑覆蓋。用于構(gòu)造低溫壓力燒結(jié)連接的燒結(jié)膏優(yōu)選由貴金屬絮狀物與溶劑的混合物構(gòu)成?！⒌诙B接配對件的第二接觸面布置在由燒結(jié)膏構(gòu)成的層上?！λ鱿到y(tǒng)加溫和加壓，用以構(gòu)造材料配合的低溫壓力燒結(jié)連接。在此情況下， 優(yōu)選的是，首先進行加溫，并且在至少部分地給連接配對件加熱后，才進行加壓。在依據(jù)本發(fā)明的方法中，所述金屬氧化物層通過還原劑而還原成金屬，而酸本身被氧化并且在適合的溫度作用下同時沸騰或升華，并且因此在后來加壓的情況下，在燒結(jié)膏的貴金屬絮狀物與非貴金屬表面之間構(gòu)成金屬間化合物。當(dāng)還原劑附加地還被涂覆在燒結(jié)膏上時，則對于制造根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)起相同作用地不言而喻還有第二連接配對件由非貴金屬構(gòu)成。在這種情況下，第二連接配對件的接觸面的金屬氧化物層被還原成金屬。依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)或者依據(jù)本發(fā)明的方法的主要優(yōu)點是，由非貴金屬構(gòu)成的連接配對件不必以花費高昂的工藝在接觸面的區(qū)域內(nèi)設(shè)有貴金屬表面。在由非貴金屬材料構(gòu)成的連接配對件中，足夠的是，設(shè)置有由合適的非貴金屬例如銅構(gòu)成的表面，由此，不僅能夠節(jié)約成本，還可以獲得更簡單的工藝流程。


借助圖1和2的實施例進一步闡述依據(jù)本發(fā)明的解決方案。圖1示出依據(jù)本發(fā)明的制造方法的不同步驟，并且在圖Ie中示出依據(jù)本發(fā)明的第一系統(tǒng)。圖2示出依據(jù)本發(fā)明的第二系統(tǒng)。
具體實施例方式圖1示出依據(jù)本發(fā)明的制造方法的各步驟，并且圖Ie中示出依據(jù)本發(fā)明的第一系統(tǒng)，該第一系統(tǒng)由襯底10和功率半導(dǎo)體構(gòu)件50構(gòu)成。圖Ia示出如在功率電子領(lǐng)域中使用的典型襯底10的概要圖。所述襯底10由絕緣材料體12構(gòu)成，優(yōu)選由例如氮化鋁的工業(yè)陶瓷構(gòu)成，并且在所述絕緣材料體12的至少一個主面上設(shè)有大量金屬導(dǎo)體帶14。這些金屬導(dǎo)體帶14優(yōu)選地由非貴金屬構(gòu)成，例如由銅構(gòu)成，并且相互之間電絕緣，以便在襯底10上構(gòu)成電路結(jié)構(gòu)。通常地，導(dǎo)體帶14的表面具有銅氧化層20，銅氧化層20主要通過銅與空氣中的氧發(fā)生氧化過程來形成。非貴金屬的這樣的含氧化物的表面通常對于低溫壓力燒結(jié)連接是行不通的，這是因為在此情況下，燒結(jié)金屬與連接配對件所必需的連接未以所需要的質(zhì)量構(gòu)造。導(dǎo)體帶14的各背離絕緣材料體12的側(cè)構(gòu)成第一連接配對件-襯底10的表面區(qū)段
418，該表面區(qū)段18又構(gòu)成第一接觸區(qū)段16以作為用于與相應(yīng)第二連接配對件相連接的表面區(qū)段18，在這里第二連接配對件是指功率半導(dǎo)體構(gòu)件50。圖Ib示出在第一方法步驟后的襯底10，也就是在將還原劑30涂覆到襯底10的表面區(qū)段18的第一接觸面16上之后。所述還原劑30在其他方法流程中用于對接觸面16上的金屬氧化物20加以還原。在此情況下，優(yōu)選的是，涂覆如下的還原劑30，還原劑30的還原效果未直接使用，這句話應(yīng)該被理解為，還原效果不在平常情況下起效，而是在以足夠的程度升高溫度的情況下才起效，優(yōu)選的是，溫度升高到至少ioo°c。這樣的還原劑30能夠以液相、但優(yōu)選以固相涂覆到第一接觸區(qū)段16上。在此情況下，設(shè)計的是無機酸或者有機酸，其中，特別有優(yōu)點的是，還原劑是飽和脂肪酸，如硬脂酸， 或者為不飽和脂肪酸。在選定還原劑時，同樣具有優(yōu)點地可以是，還原劑具有如下的沸點或升華點，所述沸點或升華點不高于如下的溫度，并且處于直至該溫度之下20K，在進一步的方法流程中，為了構(gòu)成低溫壓力燒結(jié)連接而對所述系統(tǒng)施以所述溫度。在進一步的方法流程中，根據(jù)圖lc，燒結(jié)膏40放置在還原劑30上。在此情況下， 優(yōu)選的是，燒結(jié)膏40完全地或者幾乎完全地覆蓋住還原劑40。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，使用由貴金屬絮狀物(優(yōu)選為銀絮狀物)與溶劑構(gòu)成的混合物作為燒結(jié)膏40，用以形成膏狀特性。所述燒結(jié)膏40可以通過公知的方式，例如借助絲網(wǎng)印刷或模板印刷，或者借助噴霧法來涂覆在呈固相存在的還原劑30上。在呈液相存在的還原劑30上，能利用公知的抓取-放置法 (Pick-and-Place-Verfahren)來施加由燒結(jié)膏構(gòu)成的預(yù)先烘干的小片。圖Id示出在下面一個方法步驟中布置到燒結(jié)膏40上的功率半導(dǎo)體構(gòu)件50。該功率半導(dǎo)體構(gòu)件50具有朝向襯底10的主面，該主面同時構(gòu)成第二連接配對件的第二表面區(qū)段58。作為所述表面區(qū)段58的部分，所述功率半導(dǎo)體構(gòu)件50具有金屬化部52來作為第二接觸面56，其中，所述金屬化部52由至半導(dǎo)體材料的多層接觸部形成，多層接觸部具有銀層作為最后的、最外部的層。在背離襯底10的側(cè)上，所述功率半導(dǎo)體構(gòu)件50還具有電接觸面M，用于適于電路的連接。低溫壓力燒結(jié)連接的構(gòu)成被安排作為下一個方法步驟，S卩，加壓和加溫，其中，在這里加壓由未示出的壓力元件和同樣未示出的對應(yīng)壓力元件通過功率半導(dǎo)體構(gòu)件50或通過襯底10而作用到燒結(jié)膏40上。所述特別對于燒結(jié)膏40的加溫可以例如通過對加壓力元件和對應(yīng)壓力元件加熱來進行。在特別優(yōu)選的加壓和加溫的實施方式中，首先通過壓力元件和對應(yīng)壓力元件的熱接觸來進行加溫，而不開始實施在低溫壓力燒結(jié)連接的范圍內(nèi)公知的壓力。在此情況下，一方面開始進行或明顯加速進行對金屬氧化物20的還原，并且另一方面將燒結(jié)膏40的溶劑排出。由此，在加壓的范圍內(nèi)，還原接觸面16的金屬氧化物20并且構(gòu)成如下的金屬表面， 金屬表面由此對于低溫壓力燒結(jié)連接是以出色的質(zhì)量行得通的。只有在以提及的效果加溫后才進行加壓，用以在襯底10與功率半導(dǎo)體構(gòu)件50之間最終構(gòu)成低溫壓力燒結(jié)連接。圖Ie示出如下的系統(tǒng)，其中，在這里示出的是尚存的金屬氧化物240在旁側(cè)與接觸面16相鄰接，以及布置于接觸面16上的燒結(jié)金屬42作為導(dǎo)體帶 14的表面18上的連接劑。由此，借助所述方法可以將第一連接配對件與由非貴金屬構(gòu)成的表面相連接，在這里是將襯底與銅導(dǎo)體帶相連接，可以借助低溫壓力燒結(jié)連接與具有貴金屬表面的第二連接配對件持久地保持地而且出色地導(dǎo)電地相連接。不言而喻，所述方法以類似的方法也同樣地用在具有由非貴金屬構(gòu)成的表面的兩個連接配對件上。此外，圖2示出襯底10的依據(jù)本發(fā)明的第二系統(tǒng)，類似于在圖1中所介紹地，具有由鋁構(gòu)成的冷卻構(gòu)件60和用來連接該冷卻構(gòu)件60的燒結(jié)金屬42。與圖Ia的相應(yīng)系統(tǒng)相對照地，所述襯底10在其第二主面上具有另一金屬層16，所述金屬層16與第一主面上相應(yīng)的金屬層相同地構(gòu)成，但其中，所述金屬層不具有導(dǎo)體帶結(jié)構(gòu)。所述冷卻構(gòu)件60是散熱體，例如所述散熱體作為擠型散熱體 (Strang-Press- Kuhlkorper )各樣性地用于電子技術(shù)中，尤其是也用于功率電子器件中。 在這樣的散熱體60中，所述表面68公知地具有由鋁氧化物構(gòu)成的、通過空氣中的氧氣生成的層。所述層通過使用依據(jù)本發(fā)明的方法在制造與襯底的低溫壓力燒結(jié)連接時，被還原成鋁，從而在金屬鋁的散熱體60的接觸面66的區(qū)域內(nèi)，能夠與燒結(jié)金屬42進行連接。襯底 10的銅層16與燒結(jié)金屬42之間的連接以與圖1所述基本相同的方式形成，但其中，在這里所述接觸面包括銅層的整個主面。
權(quán)利要求
1.具有第一連接配對件(10)和第二連接配對件(50)的系統(tǒng)，所述第一連接配對件 (10)和所述第二連接配對件(50)借助低溫壓力燒結(jié)連接彼此材料配合地相連接，其中，所述連接配對件(10、50)各自具有要與相應(yīng)另外那個連接配對件相連的、作為表面區(qū)段(18、 58,68)的部分的接觸面(16、56、66)，其中，在這些所述接觸面(16、56、66)之間布置有含貴金屬的連接劑(42)，以及其中，至少一個連接配對件(10)的所述表面區(qū)段(18)由非貴金屬構(gòu)成，并且所述非貴金屬在與所述接觸面(16)相鄰接的區(qū)域內(nèi)具有金屬氧化物層040)，而所述接觸面本身是金屬的，并且因此以不具有金屬氧化物層的方式構(gòu)成，并且由此與連接劑GO)保持直接接觸。
2.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述貴金屬占所述連接劑G2)的質(zhì)量份額為直至 100%。
3.按照權(quán)利要求1或者2所述的系統(tǒng)，其中，所述連接劑02)的主要部分是金屬銀。
4.按照權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述非貴金屬是鋁、銅或者是銅合金。
5.用于制造根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述系統(tǒng)的方法，其特征在于如下依次進行的步驟 準備具有由非貴金屬構(gòu)成的表面區(qū)段(18)的第一連接配對件(10)，所述表面區(qū)段 (18)具有位于其上的平面式的金屬氧化物層O0)； 將還原劑(30)涂覆到所述表面區(qū)段(18)的設(shè)置為所述第一連接配對件(10)的第一接觸面(16)的區(qū)域上； 將由燒結(jié)膏GO)構(gòu)成的層涂覆到所述還原劑(30)上； 將所述第二連接配對件(50)的所述第二接觸面(56)布置在由燒結(jié)膏GO)構(gòu)成的層上； 對所述系統(tǒng)加溫和加壓，用以構(gòu)造材料配合的低溫壓力燒結(jié)連接。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述還原劑(30)是無機酸或者有機酸，優(yōu)選為檸檬酸或者飽和脂肪酸，如硬脂酸，或者為不飽和脂肪酸。
7.按照權(quán)利要求5所述的方法，其中，在實施加溫后，才實施加壓。
8.按照權(quán)利要求5所述的方法，其中，借助模板印刷或者借助噴霧法來涂覆由貴金屬絮狀物和溶劑構(gòu)成的燒結(jié)膏GO)。
9.按照權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述還原劑(30)被以固相或液相來涂覆。
10.按照權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述還原劑(30)具有如下的沸點或者升華點， 所述沸點或者升華點不高于為了構(gòu)成低溫壓力燒結(jié)連接而向所述系統(tǒng)施加的那個溫度并且最多低于為了構(gòu)成低溫壓力燒結(jié)連接而向所述系統(tǒng)施加的那個溫度20K。
全文摘要
一種帶低溫壓力燒結(jié)連接的兩個連接配對件系統(tǒng)及其制造方法，連接配對件借助低溫壓力燒結(jié)連接材料配合地連接，連接配對件具有與另外連接配對件相連、作為表面區(qū)段部分的接觸面，接觸面之間布置含貴金屬的連接劑，至少一個連接配對件表面區(qū)段由非貴金屬構(gòu)成，其在與接觸面相鄰接區(qū)域內(nèi)有金屬氧化物層，接觸面本身是金屬的且不具有金屬氧化物層并由此與連接劑直接接觸。方法的步驟準備具有非貴金屬表面區(qū)段的第一連接配對件，表面區(qū)段有平面式金屬氧化物層；還原劑涂覆到表面區(qū)段設(shè)置為第一連接配對件第一接觸面的區(qū)域上。燒結(jié)膏層涂覆到還原劑上。第二連接配對件第二接觸面布置在燒結(jié)膏層上。對系統(tǒng)加溫和加壓以構(gòu)造材料配合的低溫壓力燒結(jié)連接。
文檔編號H01L23/00GK102263068SQ20111014707
公開日2011年11月30日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者烏爾里希·扎格鮑姆, 約恩·格羅斯曼 申請人:賽米控電子股份有限公司