CN105514000B - 一种半导体芯片烧结模具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体芯片烧结模具，包括不锈钢桶(2)以及能够放置于所述不锈钢桶(2)内的隔衬(3)和定位筒(1)，所述不锈钢桶(2)上具有通气孔，所述隔衬(3)和所述定位筒(1)的外径尺寸均满足所述不锈钢桶(2)的内径尺寸要求，所述隔衬(3)的内径尺寸满足所述芯片在高温下最大线性膨胀尺寸要求，所述定位筒(1)的内径尺寸满足所述芯片能够装模时的最小尺寸要求。该半导体芯片烧结模具有效地解决了在装模时芯片不容易定位等问题。

Description

一种半导体芯片烧结模具

技术领域

本发明涉及模具技术领域，特别是涉及一种半导体芯片烧结模具。

背景技术

半导体芯片烧结是在一定的真空、温度条件下，将硅片、铝片、钼片焊接成一个整体芯片的工艺技术。芯片烧结前需要将硅、铝、钼三者按一定的顺序放置在特定的模具中，并加以适当压力的压块，再放在真空炉体内的水平支架上在一定温度下进行烧结。烧结后硅片、铝片、钼片三者的接触部分形成三元合金而成为一个整体。烧结所使用的特定的模具是此项工艺技术中的一个关键点。现有技术中，半导体芯片烧结模具一般有石墨模具和不锈钢模具两种，它们都是桶状结构，底部有通孔，请参考图1，图1为现有技术中石墨模具和不锈钢模具的示意图，石墨模具和不锈钢模具的底部具有通孔01，芯片放入模具，压块03压于芯片上。

石墨模具属于传统模具，它的使用是按照钼片023、铝片022、硅片021的先后顺序把直径相同的三者装入模具中，这一过程俗称装模，然后再进行烧结，最终形成芯片，请参考图2，图2为现有技术中石墨模具装模后的示意图。由于烧结是要在高温下进行的，在高温下石墨、硅和钼的热膨胀系数不同，其中钼的热膨胀系数远大于石墨和硅，石墨模具结构尺寸的设计要先考虑钼片023在高温下的热膨胀变化，特别是随着芯片尺寸增大到4英寸Ф100mm后，其钼片023直径在高温下的膨胀约为0.4mm，再考虑加工精度0.1mm，最后模具直径公差应正0.5mm以上，使得在装模时，直径相同的硅片021、铝片022、钼片023三者的同心度容易出现偏差，导致烧结后的芯片出现泛铝、烧偏、崩边等现象，将直接影响后续工艺的正常进行和实现，严重的将影响器件的特性；在使用石墨模具直接装模时，内壁石墨粉很容易掉落，掉落的石墨粉可以导致烧结后的芯片沾润不良，最终导致器件的特性受到影响。

不锈钢模具是近几年开始使用的模具，它的最终目的跟石墨模具的一样，也是把钼片023、铝片022、硅片021三者装入模具中，然后再进行烧结，最终形成芯片。不锈钢模具与石墨模具不同的是，硅片021、铝片022、钼片023三者的直径、装片顺序不同，满足硅片021直径＞铝片022直径＞钼片023直径，装片的先后顺序为硅片021、铝片022、钼片023，把直径不同的三者装入模具中，请参考图3，图3为现有技术中不锈钢模具装模后的示意图。虽然烧结也是要在高温下进行，但钼片023在高温下热膨胀后的直径大小远小于硅片021，因此不锈钢模具结构尺寸的设计只要考虑硅片021在高温下的热膨胀变化就可以了。同时不锈钢模具较石墨模具可以利用两个或多个模具进行堆叠烧结，具有提升烧结产量的优点。但是，不锈钢模具装模时硅片021、铝片022和钼片023三者不容易定位，由于硅片021直径＞铝片022直径＞钼片023直径，铝片022和钼片023装入时就需要分别定位，容易出现偏差，同时一个模具是要装入多层芯片的，又必须要多次定位，更加重出现偏差的几率，这些偏差将导致芯片烧偏，而这些烧偏的芯片将直接影响后续工艺的正常进行和实现，严重的将影响器件的特性；在高温下烧结炉内工件架形变产生不平，部分装偏的铝片022在高温下形成的熔融液可能会蔓延至不锈钢模具边缘使铝和模具内壁发生粘连，导致模具和芯片报废；由于硅片021大于钼片023，烧结完后的芯片进行后面的系列工艺时，边缘多余的硅容易出现崩边而报废。

综上所述，如何有效地解决在装模时芯片不容易定位等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体芯片烧结模具，该半导体芯片烧结模具有效地解决了在装模时芯片不容易定位等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种半导体芯片烧结模具，包括不锈钢桶以及能够放置于所述不锈钢桶内的隔衬和定位筒，所述不锈钢桶上具有通气孔，所述隔衬和所述定位筒的外径尺寸均满足所述不锈钢桶的内径尺寸要求，所述隔衬的内径尺寸满足所述芯片在高温下最大线性膨胀尺寸要求，所述定位筒的内径尺寸满足所述芯片能够装模时的最小尺寸要求。

优选地，所述不锈钢桶的桶壁的上部具有外卡口，下部具有与所述外卡口相配合的内卡口，所述内卡口高于所述不锈钢桶的桶壁底，所述外卡口低于所述不锈钢桶的桶壁顶，所述内卡口的深度高于所述外卡口的深度。

优选地，所述通气孔包括开设于所述不锈钢桶底部的大通孔，以及开设于所述不锈钢桶的桶壁下端所述内卡口处的若干个小通孔。

优选地，所述小通孔的数量为两个，两个所述小通孔对称分布。

优选地，所述不锈钢桶的桶底的内壁侧设有限位所述定位筒和所述隔衬的凹槽。

优选地，所述隔衬和所述定位筒为圆筒状，且两者外径尺寸相同。

优选地，所述隔衬为石墨隔衬或氮化硅隔衬，所述定位筒为铝合金定位筒。

本发明所提供的半导体芯片烧结模具，包括不锈钢桶、隔衬和定位筒，隔衬和定位筒能够套装于不锈钢桶内。以半导体芯片烧结时所采用的钼片、铝片、硅片为例，介绍半导体芯片烧结模具的使用方法，但不局限于半导体芯片烧结时所采用的钼片、铝片、硅片。装模时，将定位筒套装于不锈钢桶内，将多层钼片、铝片、硅片按顺序装入定位筒内，钼片、铝片和硅片的直径相同，根据工艺要求在最上面的硅片上面压上设定重量的压块，定位筒套装于不锈钢桶内用于定位钼片、铝片、硅片，实现装模的一次性定位，保证硅片、铝片、钼片三者的同心。装完压块后，取出定位筒，将隔衬套入芯片和不锈钢桶之间完成装模，可以进行烧结。烧结时不锈钢桶内部及芯片间会残余气体以及隔衬将释放产生气体，不锈钢桶上具有通气孔，气体可以从通气孔抽出，保证烧结质量。隔衬和定位筒的外径尺寸均满足不锈钢桶的内径尺寸要求，隔衬和定位筒的外径尺寸略微小于不锈钢桶的内径尺寸，方便隔衬和定位筒套入不锈钢桶内和从不锈钢桶取出，不易碰撞。隔衬的内径尺寸满足芯片在高温下的最大线性膨胀尺寸要求，符合芯片在高温下线性膨胀尺寸的配合比例，比如在钼片、铝片、硅片中钼片在高温下的线性膨胀尺寸最大，也就是满足钼片在高温下的线性膨胀尺寸要求。定位筒的内径尺寸满足芯片能够装模时的最小尺寸要求，保证芯片可以顺利装入定位筒内。

本发明所提供的半导体芯片烧结模具，装模时，使用定位筒，实现装模的一次性定位，保证了硅片、铝片、钼片三者的同心，烧结后的芯片不会出现烧偏、泛铝等现象；装模时，使用定位筒，可以避免桶壁杂质脱落导致的玷污，芯片沾润会更好；烧结时，使用隔衬，不会出现高温下铝片熔融液与不锈钢桶内壁的粘连，不会导致模具和芯片的报废；利用不锈钢的耐高温和硬度特性，实现了多个模具的堆叠烧结，提升了芯片烧结的产量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中石墨模具和不锈钢模具的示意图；

图2为现有技术中石墨模具装模后的示意图；

图3为现有技术中不锈钢模具装模后的示意图；

图4为本发明中一种具体实施方式所提供的半导体芯片烧结模具中不锈钢桶的结构示意图；

图5为图4的另一视图；

图6为半导体芯片烧结模具中隔衬的结构示意图；

图7为不锈钢桶内装入定位筒的示意图；

图8为定位筒内装入钼片、铝片、硅片的示意图；

图9为定位筒内装入压块的示意图；

图10为装完加压块后的示意图；

图11为装完加压块后半导体芯片烧结模具的剖面示意图；

图12为定位筒取出后半导体芯片烧结模具的状态示意图

图13为加入隔衬后半导体芯片烧结模具的状态示意图；

图14为加入隔衬后半导体芯片烧结模具状态剖面示意图。

附图中标记如下：

01-通孔、021-硅片、022-铝片、023-钼片、03-压块；

1-定位筒、2-不锈钢桶、3-隔衬、41-硅片、42-铝片、43-钼片、5-压块、11-外卡口、12-凹槽、13-大通孔、14-小通孔、15-内卡口。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种半导体芯片烧结模具，该半导体芯片烧结模具有效地解决了在装模时芯片不容易定位等问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图4至图14，图4为本发明中一种具体实施方式所提供的半导体芯片烧结模具中不锈钢桶的结构示意图；图5为图4的另一视图；图6为半导体芯片烧结模具中隔衬的结构示意图；图7为不锈钢桶内装入定位筒的示意图；图8为定位筒内装入钼片、铝片、硅片的示意图；图9为定位筒内装入压块的示意图；图10为装完加压块后的示意图；图11为装完加压块后半导体芯片烧结模具的剖面示意图；图12为定位筒取出后半导体芯片烧结模具的状态示意图；图13为加入隔衬后半导体芯片烧结模具的状态示意图；图14为加入隔衬后半导体芯片烧结模具状态剖面示意图。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的半导体芯片烧结模具，半导体芯片，在现有大功率半导体制造领域，半导体芯片一般有烧结型芯片和全压接芯片之分。本发明中的半导体芯片是指硅片、铝片、钼片经过烧结工艺后的烧结型芯片。半导体芯片烧结模具包括不锈钢桶2、隔衬3和定位筒1，隔衬3和定位筒1能够套装于不锈钢桶2内。以半导体芯片烧结时所采用的钼片43、铝片42、硅片41为例，介绍半导体芯片烧结模具的使用方法，但不局限于半导体芯片烧结时所采用的钼片43、铝片42、硅片41。装模时，将定位筒1套装于不锈钢桶2内，将多层钼片43、铝片42、硅片41按顺序装入定位筒1内，钼片43、铝片42和硅片41的直径相同，根据工艺要求在最上面的硅片41上面压上设定重量的压块5，定位筒1套装于不锈钢桶2内用于定位钼片43、铝片42、硅片41，实现装模的一次性定位，保证硅片41、铝片42、钼片43三者的同心。装完压块5后，取出定位筒1，将隔衬3套入芯片和不锈钢桶2之间完成装模，可以进行烧结。烧结时不锈钢桶2内部及芯片间会残余气体以及隔衬3将释放产生气体，不锈钢桶2上具有通气孔，气体可以从通气孔抽出，保证烧结质量。隔衬3和定位筒1的外径尺寸均满足不锈钢桶2的内径尺寸要求，隔衬3和定位筒1的外径尺寸略微小于不锈钢桶2的内径尺寸，方便隔衬3和定位筒1套入不锈钢桶2内和从不锈钢桶2取出，不易碰撞。隔衬3的内径尺寸满足芯片在高温下最大线性膨胀尺寸要求，符合芯片在高温下线性膨胀尺寸的配合比例，比如在钼片43、铝片42、硅片41芯片中钼片43在高温下的线性膨胀尺寸最大，也就是满足钼片43在高温下的线性膨胀尺寸要求。定位筒1的内径尺寸满足芯片能够装模时的最小尺寸要求，保证芯片可以顺利装入定位筒1内。不锈钢桶2的纵向尺寸根据欲烧结芯片的片数或相应工艺需求确定，其横向尺寸根据欲烧结芯片的直径、隔衬3的壁厚及芯片的热膨胀系数确定。

本发明所提供的半导体芯片烧结模具，装模时，使用定位筒1，实现装模的一次性定位，保证了硅片41、铝片42、钼片43三者的同心，烧结后的芯片不会出现烧偏、泛铝等现象；装模时，使用定位筒1，可以避免桶壁杂质脱落导致的玷污，芯片沾润会更好；烧结时，使用隔衬3，不易出现高温下铝片42熔融液与不锈钢桶2内壁的粘连，不易导致模具和芯片的报废；利用不锈钢的耐高温和硬度特性，实现了多个模具的堆叠烧结，可以提升芯片烧结的产量。

上述半导体芯片烧结模具仅是一种优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要做出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式，不锈钢桶2的桶壁的上部具有外卡口11，下部具有内卡口15，内卡口15与外卡口11的公差尺寸可以相互配合，内卡口15高于不锈钢桶2的桶壁底，外卡口11低于不锈钢桶2的桶壁顶，内卡口15的深度高于外卡口11的深度，上方不锈钢桶2叠放于下方不锈钢桶2上，上方不锈钢桶2的内卡口15与下方不锈钢桶2的外卡口11相配合，保证相互堆叠的上方不锈钢桶2通过其内卡口15和下方不锈钢桶2的外卡口11固定，实现高温下两个或多个模具堆叠烧结，既提升了芯片烧结的产量，又提高了烧结炉的利用率。

在上述具体实施方式的基础上，本领域技术人员可以根据具体场合的不同，对半导体芯片烧结模具进行若干改变，通气孔包括大通孔13和小通孔14，大通孔13开设于不锈钢桶2底部，通常大通孔13开设于不锈钢桶2底部的中心处，小通孔14开设于不锈钢桶2桶壁下端内卡口15处，小通孔14的数量不受限制，可以为一个，也可以为多个。当只有一个半导体芯片烧结模具烧结时，大通孔13和小通孔14均可以用于抽出烧结时不锈钢桶2内的气体；不锈钢桶2下方的内卡口15的高度比上方的外卡口11的高度要高，小通孔14可以设计在下方的内卡口15靠不锈钢桶2底的桶壁处，当两个或多个模具堆叠烧结时，内卡口15和外卡口11不会阻挡小通孔14，堆叠后大通孔13和小通孔14同样均可以用于抽出烧结时不锈钢桶2内的气体，提高烧结质量。

显然，在这种思想的指导下，本领域的技术人员可以根据具体场合的不同对上述具体实施方式中的小通孔14进行若干改变，小通孔14的数量可以为两个，两个小通孔14可以对称分布，较为美观，结构简单，也可以不对称分布，具体开设位置、开设方式、小通孔14的数量和大小不受限制，可以根据实际应用情况具体设置，都在本发明的保护范围内。

需要特别指出的是，本发明所提供的半导体芯片烧结模具不应被限制于此种情形，不锈钢桶2的桶底的内壁侧设有凹槽12，凹槽12的宽度略大于定位筒1和隔衬3的厚度，定位筒1和隔衬3限位于凹槽12内，凹槽12限位定位筒1和隔衬3的位置，定位筒1和隔衬3位置的准确性，保证硅片41、铝片42、钼片43三者的同心。

本发明所提供的半导体芯片烧结模具，在其它部件不改变的情况下，隔衬3和定位筒1为圆筒状，结构简单，加工方便，通常隔衬3和定位筒1的外径尺寸相同，保证定位筒1和隔衬3位置的准确性。

对于上述各个实施例中的半导体芯片烧结模具，隔衬3为耐高温非金属材料制成，可以为石墨隔衬或氮化硅隔衬，还可以为其它适宜材质的隔衬3。定位筒1为表面光洁的金属材料制成，比如为铝合金定位筒，具体使用何种材料的隔衬3和定位筒1可以根据具体应用情况的不同而定，都在本发明的保护范围内。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种半导体芯片烧结模具，其特征在于，包括不锈钢桶(2)以及能够放置于所述不锈钢桶(2)内的隔衬(3)和定位筒(1)，装模时将所述定位筒(1)套装于所述不锈钢桶(2)内定位芯片，装完压块(5)后，取出所述定位筒(1)，将所述隔衬(3)套入所述芯片和所述不锈钢桶(2)之间完成装模，所述不锈钢桶(2)上具有通气孔，所述隔衬(3)和所述定位筒(1)的外径尺寸均满足所述不锈钢桶(2)的内径尺寸要求，所述隔衬(3)的内径尺寸满足所述芯片在高温下最大线性膨胀尺寸要求，所述定位筒(1)的内径尺寸满足所述芯片能够装模时的最小尺寸要求。

2.根据权利要求1所述的半导体芯片烧结模具，其特征在于，所述不锈钢桶(2)的桶壁的上部具有外卡口(11)，下部具有与所述外卡口(11)相配合的内卡口(15)，所述内卡口(15)高于所述不锈钢桶(2)的桶壁底，所述外卡口(11)低于所述不锈钢桶(2)的桶壁顶，所述内卡口(15)的深度高于所述外卡口(11)的深度。

3.根据权利要求2所述的半导体芯片烧结模具，其特征在于，所述通气孔包括开设于所述不锈钢桶(2)底部的大通孔(13)，以及开设于所述不锈钢桶(2)的桶壁下端所述内卡口(15)处的若干个小通孔(14)。

4.根据权利要求3所述的半导体芯片烧结模具，其特征在于，所述小通孔(14)的数量为两个，两个所述小通孔(14)对称分布。

5.根据权利要求4所述的半导体芯片烧结模具，其特征在于，所述不锈钢桶(2)的桶底的内壁侧设有限位所述定位筒(1)和所述隔衬(3)的凹槽(12)。

6.根据权利要求1-5任一项所述的半导体芯片烧结模具，其特征在于，所述隔衬(3)和所述定位筒(1)为圆筒状，且两者外径尺寸相同。

7.根据权利要求6所述的半导体芯片烧结模具，其特征在于，所述隔衬(3)为石墨隔衬或氮化硅隔衬，所述定位筒(1)为铝合金定位筒。