[发明专利]低温加压烧结的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于加压烧结的方法。

背景技术

具有一个或多个半导体元件的功率电子电路的电子组件典型地借助胶粘结合、焊接或银加压烧结技术将未保护的半导体设置在主要电路载体上来制造。在该过程中，优选采用陶瓷电路载体(所谓的DCB衬底，即direct copper bonded(直接铜接合)衬底)。

这种衬底由膨胀系数为7-8ppm/K和大约4ppm/K的铝氧化物或铝氮化物构成的核组成。该衬底还可以是以薄层混合载体形式存在的纯陶瓷解决方案，并具有金属化的或敷设的印刷线路，该薄层混合载体由铝氧化物或铝氮化物构成。还可以将一个或多个半导体直接安装在作为电路载体的金属引线框架(Stanzgitter)上。US2004-026778A1展示了在没有绝缘衬底的情况下将半导体直接安装在引线框架的片段上。

借助超声线接合(Drahtbondung)，这些半导体相互电连接并且与衬底的金属印刷线路或与引线框架电连接。为了提高(动态情况和静止情况的)损耗功率输出，所配备的衬底或引线框架通常用连接层(胶粘结合，用热导膏压力接触，焊接或加压烧结)构建在热沉板上(例如本申请人的实用新型20005746U1)。典型地，对于功率强大的模块来说还通过焊接或加压烧结在一个共用的热沉板上安装多个衬底组件(以串联和并联电路的形式)。在加压烧结的情况下，首先衬底板和半导体与该共用的热沉板连接，然后才通过将所有参与的所配备的衬底板进行线接合而进行电接触。

该热沉板在动态热流的情况下利用所选择的材料(优选铜)的热容量来提供优化的能量缓冲。尤其是在该电路的脉冲运行情况下，热沉板降低了动态热阻(Zth)。相反，在通过半导体的损耗功率的热流的静止情况下，该放热功能是有意义的。在此，放热板的导热能力以及其相对于衬底被扩大的尺寸是决定性的。这导致有利的热阻(Rth)。

为了在携带电位的部件(接合线，半导体和印刷线路)之间实现高度的电绝缘以及达到非常高的机械强度和鲁棒性，存在这些组件被热固性塑料包封的产品。这种制造技术由通过模压(传递模塑)来用热固性塑料的、硬的、玻璃状的聚合物材料(例如Henkel LoctiteHysol)来根据体积完全包封模块体组成。这是利用单个半导体元件(例如以ST微电子公司IRF-540的TO220包装形式)以及例如US2005/0067719A1的晶体管组来实现的。

几种产品除了包封衬底组件之外还包封了所安装的热沉板，例如Mitsubishi公司的DIP-IPM(“A New Version Intelligent Power Module for High Performance Motor Control”；M.Iwasaki等人；Power Semiconductor Device Division，Mitsubishi，Japan)。

1.1现有技术的缺点和改进

缺点1：在加压烧结时由于未经测试的衬底组件造成出产量损耗

在仅一个热沉板上设置由多个衬底组件(多衬底模块)组成的串联或并联电路的情况下，特别不利的是，由于需要经济地产出，只能在一个共用的热沉板上安装经过良好测试的电的单个组件。这种节省成本的制造和检验步骤在借助银加压烧结进行安装时是不可能的，因为在烧结过程中对这些组件的几乎均衡的压制可能破坏电连接的组件的接合线。

为了改进该现有技术，建议通过模压按照所描述的方式首先将事先经过测试的衬底组件形成为鲁棒的、可机械负荷的组件(模型模块(Mold-Modul))。

这样的经过模压的组件可以借助加压烧结通过单轴或几乎均衡的压制与热沉板通过银烧结连接。因此，按照这种设计仅对经过良好测试的衬底组件作进一步处理。该烧结过程可以用至少一个模型模块执行，但是也可以用多个模型模块在仅一个热沉板上同时进行。

缺点2：被包封的组件与集成的热沉板由于膨胀差异很大而变形

a)所描述的模压(传递模塑)的过程对全部组件来说具有以下缺点：要重新加热到大约170℃-200℃(聚合物络合的热启动)。在此，已经连接的以及由热沉板材料、连接层、衬底、连接层和半导体组成的叠层相应于它们的个体热膨胀系数而变形。这些连接层的层附着和抗切强度导致永久的叠加的总变形。

优选的热沉材料是铜，铜的高膨胀系数(18ppm/K)导致材料叠层相对于平坦的冷却器平面存在空心变形，在该冷却器平面上将在终端用户那里安装以后的组件。