[发明专利]功率半导体的可靠区域接合件

说明书

技术领域

本申请涉及一种功率半导体，并且更特别地涉及一种功率半导体的可靠区域接合件（area joint）。

背景技术

常规地，功率半导体管芯通过焊接的、扩散焊接的或烧结的区域接合件在管芯的背面处附着至衬底的金属化侧。一般通过粗（heavy）Al线结合（bonding）或粗Cu线结合来进行到管芯的面向远离衬底的正面的电连接。例如，已经在双面冷却组件中并根据较老的晶闸管和整流器模块设计，使用了双面区域接合件，其中，通过焊接将金属夹子接合至正面。还在一些分立的低电压功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）封装中使用夹子焊接方法（clip soldering method）。在所谓的平面互连技术中，结构具有载体/衬底上的绝缘层和绝缘层顶部上的导体图案。在其它双面区域接合件方法中，使用柔性板而不是线结合连接来提供与管芯正面的区域接触。

在所有情况下，常规的区域接触都遭受了接合到管芯和半导体材料的金属的热膨胀失配。该失配导致接合伙伴（joint partner）中和界面材料中的热机械应力。在任何情况下，区域接合件的边缘和角落的端部处的高应力导致脱层。在焊接的区域接触的情况下，应力在功率循环或热循环期间使焊接层开裂。裂纹从边缘扩展至焊料内的中心。在一些平面互连技术中，直接在为Al、AlSi或AlCu或AlCuSi的管芯金属化（metallization）上生长铜。经常在要生长的铜层下面涂覆界面金属层。界面层相当薄并处于几百nm的范围内。脱层的易破层（weak layer）是Al或Al合金管芯金属化。裂纹起始于Al表面处的边缘和角落处，并向Al管芯金属化层内的中心移动。在到管芯Al管芯金属化的烧结连接的情况下，裂纹起始于烧结层的表面处的边缘和角落处，并向下移动至Al管芯金属化层中，并停留在向中心扩展的Al金属化中。尽管一些常规的平面互连技术已经消除了与管芯的区域接触中的易破的软焊料，但是这些结构的寿命由于标准Al管芯金属化的使用而受该区域接合件限制，所述标准Al管芯金属化是区域接合区中的最易破的点。

发明内容

在这里所述的实施例提供了一种在半导体管芯的最后铜金属化层与铜互连金属化之间的无Al区域接合件，所述无Al区域接合件将管芯的最后铜金属化层电连接至在电绝缘衬底上布置的被构图的铜金属化。如在这里所使用，术语“铜”指的是纯铜或铜合金，即具有作为主要成分的铜的金属合金。铜互连金属化可以是例如另一衬底、平面互连结构、柔性或刚性板、或者形成与管芯的最后铜金属化层的无Al区域接合件的夹子的部分。

根据功率半导体模块的实施例，模块包括：电绝缘衬底；铜金属化，所述铜金属化被布置在衬底的第一侧上并被构图到管芯附着区和多个接触区中；以及半导体管芯，所述半导体管芯附着至铜金属化的管芯附着区。管芯包括：有源器件区；以及一个或多个铜管芯金属化层，所述一个或多个铜管芯金属化层被布置在所述有源器件区之上。有源器件区被布置为比一个或多个铜管芯金属化层更接近于铜金属化。与有源器件区间隔最远的铜管芯金属化层具有在管芯的面向远离衬底的一侧的大部分之上延伸的接触区域。该模块进一步包括铜互连金属化，所述铜互连金属化经由无铝区域接合件连接至管芯的接触区域，并且连接至铜金属化的接触区中的第一接触区。

根据组装功率半导体模块的方法的实施例，该方法包括：提供电绝缘衬底和铜金属化，所述铜金属化被布置在衬底的第一侧上并被构图到管芯附着区和多个接触区中；将半导体管芯附着至铜金属化的管芯附着区，其中该管芯包括有源器件区和在有源器件区之上布置的一个或多个铜管芯金属化层，有源器件区被布置为比一个或多个铜管芯金属化层更接近于铜金属化，与有源器件区间隔最远的铜管芯金属化层具有在管芯的面向远离衬底的一侧的大部分之上延伸的接触区域；以及经由无铝区域接合件将铜互连金属化连接至管芯的接触区域，并且将铜互连金属化连接至铜金属化的接触区中的第一接触区。

在阅读下面的详细的描述时，以及在观察附图时，本领域技术人员将认识到附加特征和优点。

附图说明

图中的部件不必按比例绘制，代之的是强调图示本发明的原理。此外，在图中，同样的参考数字标示对应的部分。在图中：

图1图示了具有在半导体管芯的最后铜金属化层与作为平面互连结构的部分而实施的铜互连金属化之间的无Al区域接合件的功率模块的横截面视图。

图2A至2E图示了在制造该模块的方法的实施例的不同工艺步骤期间的图1的功率模块的横截面视图。