專利名稱：使用燒結晶片貼附的功率模塊及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用燒結晶片貼附(sintering die attach)的功率模塊及該功率模塊的制造方法。
背景技術：
現(xiàn)有的功率模塊通過將絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、二極管芯片等鍵合(bond)到銅(Cu)引線框上或直接鍵合銅(DBC)基板上并通過鋁(Al)導線鍵合方法將其電連接在基板與外殼之間而被制造。這時，使用Sn基焊料將芯片鍵合到基板上。所以，IGBT和二極管芯片的下部由諸如可以很容易得被焊接的銀(Ag)和金(Au) 之類的金屬制成，以及使用諸如銅(Cu)、鎳(Ni)等金屬來完成所述基板。然而，由于基于錫(Sn)的低導熱性(< 60W/m. k)、金屬間接觸(IMC)的形成以及材料本身的低可靠性，現(xiàn)有的芯片鍵合方法很難應用到高功率電子器件模塊。另外，現(xiàn)有的芯片鍵合方法由于低輻射特性還具有效率降低的問題。同時，在功率模塊中，在使用功率模塊時生成的大部分的熱通過芯片的下部被釋放到基板上。如上所述，為了通過基板輻射熱，在芯片和基板之間的鍵合材料應該具有極好的輻射特性。如果由于長期使用功率模塊而在芯片的下部出現(xiàn)裂縫，則會導致輻射特性的降低，從而，也會導致器件出現(xiàn)故障，繼而造成經(jīng)濟損失。

發(fā)明內容
做出本發(fā)明以致力于提供一種使用具有高的電氣效率和極好的輻射特性的燒結晶片貼附(Sintering die attach)的功率模塊，及該功率模塊的制造方法。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，提供了一種使用燒結晶片貼附的功率模塊，該功率模塊包括基板，其具有形成在金屬板的表面上的絕緣層；電路層，其形成在基板上并包括布線圖案和電極圖案；安裝在布線圖案上的器件；燒結晶片貼附層，其在布線圖案和所述器件之間應用金屬膏并對該金屬膏進行燒結以將所述布線圖案鍵合到所述器件上；以及引線框，其將所述器件電連接到電極圖案上。所述基板可以是陽極氧化金屬基板(AMS)。金屬板可以是鋁(Al)、鋁(Al)合金和銅(Cu)中的任意一者。
絕緣層可以是氧化鋁(Al2O3)。所述器件可以是晶圓預處理器件(wafer pretreated device)。金屬板具有7 3的微米尺寸的金屬粉末與納米尺寸的金屬粉末的比率。金屬粉末可以是鈦(Ti)、銅(Cu)、鎳(Ni)和金(Au)中的至少一者。使用燒結晶片貼附的功率模塊還可以包括焊料鍵合層，該焊料鍵合層將所述器件鍵合到引線框的一端并將電極圖案鍵合到引線框的另一端。所述器件可以經(jīng)過晶圓預處理，以使金屬膏以5 μ m到10 μ m的厚度應用到該器件的下部。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方式，提供了一種使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法，該制造方法包括(A)準備基板，該基板通過氧化金屬板的表面并使絕緣層形成在金屬板的整個表面上而形成；(B)在基板上形成包括布線圖案和電極圖案的電路層；(C) 在將器件安裝在布線圖案上之后，將金屬膏應用到布線圖案上以便將布線圖案鍵合到所述器件上，并然后燒結金屬膏；以及(D)將所述器件焊接到引線框的一端并將電極圖案焊接到引線框的另一端，從而使所述器件與電極圖案電連接。使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法還包括在安裝所述器件之前對所述器件執(zhí)行晶圓預處理。在步驟(E)，執(zhí)行晶圓預處理可以包括準備晶圓基板，多個器件安裝在該晶圓基板上；將金屬膏以5μπι到10 μ m的厚度應用到晶圓基板的下部，并將金屬膏干燥；以及將安裝在晶圓基板上的多個器件鋸成單獨的器件。步驟㈧可以包括(A-I)準備金屬板；和(A-2)使金屬板的表面氧化并在金屬板的整個表面上形成絕緣層。在步驟(B)，可以通過鍍覆(plating)法、濺射法和淀積法中的任意一種方法來形成布線圖案和電極圖案。在步驟(C)，當將金屬板應用到布線圖案上時，可以使用絲網(wǎng)印制法(silkscreen method)、金屬絲印法(metal screen method)、沖壓法(stamping method)禾口點膠法 (dispensing method)中的任意一禾中方法。在步驟(C)，金屬膏的燒結溫度可以在大約250°C到大約300°C之間。


圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的使用燒結晶片貼附的功率模塊的橫截面圖；圖2-圖8是用于解釋根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法的圖示。
具體實施例方式根據(jù)下面對實施方式的描述并參考附圖，本發(fā)明的各種目的、優(yōu)點和特征將會變得顯而易見。本說明書及權利要求書中所使用的術語及詞語不應被解釋為局限于一般的含義或字典定義，而是應當基于發(fā)明人可適當?shù)貙πg語的概念進行定義以更為適當?shù)貙λ蛩挠糜趫?zhí)行本發(fā)明的最佳方法進行描述這一原則，所述術語及詞語應被解釋為具有與本發(fā)明的技術范圍相關的意義及概念。通過以下結合附圖的詳細描述，可更為清晰地理解本發(fā)明的上述及其他目的、特征以及優(yōu)點。在說明書中，應該注意的是，在對附圖中的組件添加參考標記時，類似的參考標記指代類似的組件，即使這些組件出現(xiàn)于不同附圖中。而且，當確定對與本發(fā)明相關的公知技術的詳細描述可能晦澀本發(fā)明的主旨時，可省略對其的詳細描述。下文中，將參考附圖，詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的使用燒結晶片貼附的功率模塊的橫截面圖。參考圖1，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的使用燒結晶片貼附的功率模塊100被配置成包括基板10，該基板10具有金屬板11和形成在金屬板11的表面上的絕緣層13 ；電路層 20，該電路層20具有形成在基板10上的布線圖案21和電極圖案23 ；器件40，該器件40安裝在電路層20的布線圖案21上；燒結晶片貼附層30，該燒結晶片貼附層30通過在布線圖案21與器件40之間應用金屬膏并燒結該金屬膏而形成，從而將布線圖案21鍵合到器件40 上；引線框60，該引線框60將器件40電連接到電極圖案23上；以及焊料鍵合層50，該焊料鍵合層50將器件40鍵合到引線框60的一端并將電極圖案23鍵合到引線框60的另一端。在本實施方式中，當諸如半導體芯片之類的器件40被安裝在基板10上時，在通過燒結方法將它們彼此鍵合時為了執(zhí)行燒結工藝，基板應該具有高共面性(例如，ΙΟμπι以內)和極好的硬度(也就是，具有由于壓力和溫度造成的最小變形)。而且，基板10的上部和下部應該彼此完全相同。然而，現(xiàn)有技術中主要使用的直接鍵合銅(DBC)基板和引線框基板中的每一者都具有下面的缺點首先，在DBC基板的情況中，雖然DBC基板具有極好的硬度和共面性，但其應該通過使用焊料將輻射板附設到DBC基板的下部上，從而改善導熱性。而且，由于器件的下部中的焊料層，導熱性降低了，可靠性惡化了。另一方面，在引線框基板的情況中，很難實現(xiàn)復雜的電路，并且輻射特性不是很好，從而很難被應用到具有高壓和高電流的高功率模塊。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，使用陽極氧化金屬基板(AMS)IO，AMS能夠彌補DBC 基板和引線框基板的缺點。AMS 10是通過氧化厚金屬板11的表面并在金屬板11的表面上形成絕緣層13而形成的基板。通過使用陽極氧化方法等來氧化金屬板11的整個表面，絕緣層13被形成為諸如氧化鋁(A12CX3)之類的氧化膜。另外，絕緣層13還可以通過將陶瓷層或環(huán)氧層鍵合到金屬板11的整個表面來形成。作為示例，可以使用鋁(Al)、鋁(Al)合金、銅(Cu)等作為金屬板11。如上配置的AMS 10不僅具有極好的硬度和共面性，而且還由金屬板11制成，從而還具有極好的輻射特性。包括布線圖案21和電極圖案23的電路層20以預定厚度和圖案形成在AMS 10上， 諸如半導體芯片之類的器件40安裝于布線圖案21上，以及電極圖案23電連接到器件40 上以從外部向器件40供電。
電路層20以大約1 μ m的厚度以預定形狀通過對鈦(Ti)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au) 等進行鍍覆、濺射、淀積等而形成在AMS 10上。在這種情況中，優(yōu)選可以使用銀(Ag)來完成電路層20的最外表面由于被應用以將器件40安裝在布線圖案21上的金屬膏主要由銀(Ag)膏制成，所以這還便于在燒結晶片貼附時的鍵合。如上所述，通過將金屬膏應用在布線圖案21與器件40之間并燒結金屬膏而形成燒結晶片貼附層30，從而將布線圖案21鍵合到器件40上，其中燒結溫度在大約250°C至大約300°C之間。其中器件40通過燒結晶片貼附層30被安裝在布線圖案21上的功率模塊100具有比其中器件40通過現(xiàn)有的焊料鍵合層被安裝在布線圖案21上的功率模塊具有更好的輻射特性。更具體地，現(xiàn)有的焊料鍵合層具有大約60W/m. k.的低導熱性，而本發(fā)明中的燒結晶片貼附層30具有大約250W/m. k.的高導熱性，從而還改善了通過燒結晶片貼附30鍵合的功率模塊100的輻射特性。另外，在通過現(xiàn)有的焊料鍵合層進行鍵合時需要大約40Mpa的高壓，從而可能會出現(xiàn)絕緣層13損壞或電路層20分離的問題。然而，在通過根據(jù)本發(fā)明的燒結晶片貼附層30來鍵合時，器件40被安裝在不需高壓按壓而被燒結的燒結晶片貼附層30上，從而僅通過使用大約IOMpa到大約20Mpa的壓力就能夠獲得穩(wěn)定的燒結鍵合，從而解決了上述問題。另外，在被燒結而被鍵合后，燒結晶片貼附層30具有大約900°C的熔點，與純銀 (Ag)的熔點相似。如果布線圖案21通過燒結晶片貼附層30被鍵合到器件40上，則即使當器件40 后來被鍵合到引線框60上時，燒結晶片貼附層30仍具有高的熔點，從而不會發(fā)生再熔。所以，能夠防止在燒結晶片貼附層30中形成空洞(void)，從而能夠解決由于空洞造成的可靠性下降或芯片傾斜的問題。在形成根據(jù)本發(fā)明的燒結晶片貼附層30的金屬膏中，微米尺寸的金屬粉末和納米尺寸的金屬粉末等以預定比率進行混合。金屬膏是除了由微米尺寸的金屬粉末和納米尺寸的金屬粉末外還由溶劑、分散齊 、稀釋劑、粘合劑等混合成的合成物。在這種情況下，微米尺寸的金屬粉末和納米尺寸的金屬粉末可以是相同類型或不同類型的金屬粉末。作為示例，金(Au)、銀(Ag)、錫(Sn)、銦(In)、銅(Cu)等可以被用作金屬粉末。當微米尺寸的金屬粉末和納米尺寸的金屬粉末以預定比率混合成的金屬膏被用作本發(fā)明中的燒結晶片貼附層30時，和只使用相同尺寸的金屬粉末的情況相比，進一步改善了燒結特性。更具體地，和使用僅由微米尺寸的金屬粉末制成的金屬膏的現(xiàn)有情況相比，由微米尺寸的金屬粉末和納米尺寸的金屬粉末混合成的金屬膏制成的燒結晶片貼附層30具有更大的表面積，從而，和使用金屬膏的情況相比，增加了由此產(chǎn)生的燒結驅動力，進而能夠降低燒結溫度。
另一方面，和使用僅由納米尺寸的金屬粉末制成的金屬膏的情況相比，根據(jù)本發(fā)明的燒結晶片貼附層30具有相對于金屬粉末而言相對低含量的溶劑，包括分散劑、稀釋齊U、粘合劑等。所以，在燒結時，所述溶劑可以很容易地被揮發(fā)從而被完全燃燒，進而能夠防止在燒結晶片貼附層30內部或在器件40的下部中形成空洞。在這種情況下，在根據(jù)本發(fā)明的燒結晶片貼附層30中使用的金屬膏中，微米尺寸的金屬粉末的尺寸可以為大約3. 5 μ m到7. 5 μ m,以及優(yōu)選地，為大約5 μ m或更少。另外， 納米尺寸的金屬粉末的尺寸可以為IOnm到50nm，以及優(yōu)選地，為大約30nm或更少。同時，微米尺寸的金屬粉末和納米尺寸的金屬粉末的比率可以優(yōu)選為7 3或
8 . 2 。特別地，當微米尺寸的金屬粉末包括錫(Sn)和銦(In)時，錫(Sn)的含量比率優(yōu)選為2. 5或更少。借助于外部壓力的情況下，使用具有上述的金屬粉末尺寸和合成物配給量的金屬膏的燒結晶片貼附層30的燒結溫度為大約250°C到300°C。在這種情況下，可以使用有機材料來作為金屬膏中的溶劑，該有機材料具有在大約250°C的溫度下被完全揮發(fā)的特性。這防止在達到燒結溫度(大約250°C到300°C )之前用于形成燒結晶片貼附層30 的金屬膏引起金屬粉末之間的鍵合，從而防止相互擴散的產(chǎn)生，并在真正的燒結溫度下將器件40鍵合到布線圖案21上。焊料鍵合層50是用于焊接器件40和引線框60的一端以將它們彼此鍵合、并用于焊接電極圖案23和引線框60的另一端以將它們彼此鍵合的鍵合層。弓丨線框60的兩端每一端被鍵合到器件40和電極圖案23上以電連接器件40。在普通的模塊中，布線鍵合通常被用于對器件40進行電布線；然而，在本發(fā)明中使用引線框60，從而實現(xiàn)了更加牢固和可靠的功率模塊100。圖2-圖8是用于解釋根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法的圖示。首先，如圖2所示，準備金屬板11。然后，如圖3所示，在金屬板11的表面上形成絕緣層13。在這種情況下，絕緣層13可以通過使用陽極氧化方法氧化金屬板11的整個表面來形成諸如氧化鋁(Al2O3)之類的氧化膜。通過氧化金屬板11的表面并在金屬板11上形成絕緣層13而形成的基板被稱為陽極氧化金屬基板(AMS) 10。另外，還可以通過將陶瓷層或環(huán)氧層鍵合到金屬板11的表面來形成絕緣層13。然后，如圖4所示，包括布線圖案21和電極圖案23的電路層20以預定厚度形成在AMS 10上。在這種情況下，電路層20以大約Iym的厚度，通過對諸如鈦(Ti)、銅(Cu)、鎳 (Ni)、金(Au)等金屬進行鍍覆、濺射、淀積而形成在AMS 10上。然后，如圖5所示，金屬膏被應用到布線圖案21上，以便將器件40安裝在布線圖案21上。
當金屬膏被應用到布線圖案21上時，可以使用絲網(wǎng)印制法、金屬絲印法、沖壓法和點膠法等。然后，以大約250°C到大約300°C之間的溫度將器件40安裝并燒結在金屬膏上，從而被鍵合。如果金屬膏如上所述被燒結，則將布線圖案21鍵合到器件40上的燒結晶片貼附層30形成在布線圖案21與器件40之間。在該構造中，晶圓預處理器件可以用作器件40。晶圓預處理器件意指在鋸其上安裝有多個器件的晶圓基板之前，經(jīng)歷將以預定比率混合的金屬膏以大約5到15(優(yōu)選為10或更少)的厚度稀薄地應用并干燥到晶圓基板的下部、并然后將所述多個器件中的每個器件鋸成單獨的器件的器件。換句話說，根據(jù)本發(fā)明的以預定比率混合的金屬膏被稀薄地應用到晶圓預處理器件的下部上。被稀薄地應用到器件40的下部上的金屬膏允許器件40被快速地安裝在以大約 40 μ m到60 μ m(優(yōu)選為大約50 μ m)的厚度應用到布線圖案21上的金屬膏上，從而更加便于它們的鍵合并增強了燒結時它們的粘附力。在器件40被安裝在AMS 10的布線圖案21上時，執(zhí)行用于將器件40電連接到電極圖案23上的焊接工藝。如圖7所示，焊料鍵合層50形成在器件40和電極圖案23上，以便鍵合將器件40 連接到電極圖案23上的引線框60。然后，如圖8所示，施加預定壓力，從而通過焊料鍵合層50將引線框60的一端鍵合到器件40上并將引線框60的另一端鍵合到電極圖案23上。最后，應用合成樹脂80等以進行密封，從而保護器件40和電路層20，以及提供鍵合到電極圖案23上以將電極圖案23連接到外面的總線70，從而完成了圖1所示的功率模塊 100。根據(jù)本發(fā)明的使用燒結晶片貼附的功率模塊100及該功率模塊的制造方法，可以使用燒結方法來鍵合薄的芯片，從而能夠增加電效率并改善輻射特性。另外，根據(jù)本發(fā)明，使用燒結方法從而不必必須施加高壓，進而能夠簡化和促成鍵合工藝，并防止基板或薄的芯片的損壞。另外，使用引線框60代替普通導線來作為與器件40電連接的布線，從而能夠實現(xiàn)更加牢固和可靠的功率模塊100。利用根據(jù)本發(fā)明的使用燒結晶片貼附的功率模塊及該功率模塊的制造方法，在金屬膏被應用到基板上和薄的器件被安裝在金屬膏上之后，金屬膏被燒結以將它們鍵合，從而能夠簡化和便于鍵合工藝，并防止由于在現(xiàn)有的通過焊接進行鍵合時產(chǎn)生的壓力而造成的損壞。另外，根據(jù)本發(fā)明，器件的下部被金屬膏鍵合到基板上，以容易地通過器件的下部來釋放在操作功率模塊時產(chǎn)生的熱，從而能夠改善輻射特性并相應地增加電效率。雖然為了示出的目的已公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是本領域的技術人員應該理解，在不脫離所附權利要求公開的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以做出各種修改、 添加和替換。因此，這種修改、添加和替換也應該被理解為落入本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.一種使用燒結晶片貼附的功率模塊，該功率模塊包括 基板，該基板具有形成在金屬板的表面上的絕緣層；電路層，該電路層形成在所述基板上，并包括布線圖案和電極圖案； 安裝在所述布線圖案上的器件；燒結晶片貼附層，該燒結晶片貼附層在所述布線圖案和所述器件之間應用金屬膏，并將該金屬膏燒結以將所述布線圖案鍵合到所述器件上；以及引線框，該引線框將所述器件電連接到所述電極圖案上。
2.根據(jù)權利要求1所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊，其中所述基板為陽極氧化金屬基板。
3.根據(jù)權利要求1所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊，其中所述金屬板是鋁、鋁合金和銅中的任一者。
4.根據(jù)權利要求1所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊，其中所述絕緣層為氧化鋁。
5.根據(jù)權利要求1所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊，其中所述器件為晶圓預處理器件。
6.根據(jù)權利要求1所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊，其中所述金屬膏具有7 3 的微米尺寸的金屬粉末和納米尺寸的金屬粉末的比率。
7.根據(jù)權利要求6所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊，其中所述金屬粉末為鈦、銅、 鎳和金中的至少一者。
8.根據(jù)權利要求1所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊，該功率模塊還包括焊料鍵合層，該焊料鍵合層將所述器件鍵合到所述引線框的一端并將所述電極圖案鍵合到所述引線框的另一端。
9.根據(jù)權利要求1所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊，其中所述器件經(jīng)過晶圓預處理，以使所述金屬膏以5 μ m到15 μ m的厚度應用到所述器件的下部。
10.一種使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法，該制造方法包括(A)準備基板，該基板通過氧化金屬板的表面并使絕緣層形成在所述金屬板的整個表面上而形成；(B)在所述基板上形成包括布線圖案和電極圖案的電路層；(C)在將器件安裝在所述布線圖案上之后，將金屬膏應用到所述布線圖案上，從而將所述布線圖案鍵合到所述器件上，并然后燒結所述金屬膏；以及(D)將所述器件焊接到所述引線框的一端，和將所述電極圖案焊接到所述引線框的另一端，從而使所述器件與所述電極圖案電連接。
11.根據(jù)權利要求10所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法，該制造方法還包括(E)在安裝所述器件之前，對所述器件執(zhí)行晶圓預處理。
12.根據(jù)權利要求11所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法，其中在步驟 (E)，所述執(zhí)行晶圓預處理包括準備其上安裝有多個器件的晶圓基板；將金屬膏以5 μ m到15 μ m的厚度應用到所述晶圓基板的下部，并將該金屬膏干燥；以及將安裝在所述晶圓基板上的所述多個器件鋸成單獨的器件。
13.根據(jù)權利要求10所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法，其中步驟(A) 包括(A-I)準備金屬板；以及(A-2)使所述金屬板的表面氧化，并在所述金屬板的整個表面上形成絕緣層。
14.根據(jù)權利要求10所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法，其中在步驟(B)，通過鍍覆法、濺射法和淀積法中的任一種方法來形成所述布線圖案和所述電極圖案。
15.根據(jù)權利要求10所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法，其中在步驟(C)，當所述金屬膏被應用到所述布線圖案上時，使用絲網(wǎng)印制法、金屬絲印法、沖壓法和點膠法中的任一種方法。
16.根據(jù)權利要求10所述的使用燒結晶片貼附的功率模塊的制造方法，其中在步驟 (C)，所述金屬膏的燒結溫度在大約250°C到大約300°C之間。
全文摘要
在此公開了一種使用燒結晶片貼附的功率模塊及該功率模塊的制造方法。該功率模塊包括基板，其具有形成在金屬板的表面上的絕緣層；電路層，其形成在基板上，并包括布線圖案和電極圖案；安裝在布線圖案上的器件；燒結晶片貼附層，其在所述布線圖案和所述器件之間應用金屬膏，并將該金屬膏燒結以將所述布線圖案鍵合到所述器件上；以及引線框，其將所述器件電連接到所述電極圖案上，從而能夠簡化并方便了工藝，增加了電效率并改善了輻射特性，以及制造了牢固可靠的功率模塊。
文檔編號H01L23/488GK102468285SQ201110029569
公開日2012年5月23日 申請日期2011年1月26日 優(yōu)先權日2010年11月2日
發(fā)明者崔碩文, 朱龍輝, 金泰賢 申請人:三星電機株式會社