CN112071775A - 一种用于功率器件封装的烧结设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功率半导体器件制造技术领域，具体提供一种用于功率器件封装的烧结设备，包括：第一承靠座(1)、与所述第一承靠座(1)相对设置的第二承靠座(2)、用于密封所述第一承靠座(1)和所述第二承靠座(2)的烧结腔体(3)；所述第一承靠座(1)和所述第二承靠座(2)可彼此相对地往复移动；所述烧结腔体(3)包括包围所述第一承靠座(1)并且固定设置的第一腔体结构(301)，以及包围所述第二承靠座(2)设置并且随所述第二承靠座(2)往复移动的第二腔体结构(302)。根据本发明的用于功率器件封装的烧结设备，结构简单，能够节省复杂的运动机构，同时保证功率器件的位置稳定，保证成品率，提升烧结效率。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种用于功率器件封装的烧结设备。
背景技术
在功率半导体封装领域，寻求低温工艺、高温服役、热膨胀系数相匹配、高导热导电、低成本的互连材料成为现在急需解决的问题。焊接及引线键合的传统材料工艺存在熔点低、高温蠕变失效、引线缠绕、寄生参数等无法解决的问题，新型互连材料正从焊接向烧结技术发展。
现有技术常用烧结互连材料为纳米银材料，但是纳米银烧结技术存在不足：1)银材料本身价格较高，限制其不能被广泛使用；2)银和SiC芯片背面材料热膨胀系数的不同，需要添加其它中间金属层提高互连性能，从而增加了工艺复杂性成本；3)银层存在电迁移现象，不利于功率器件长期可靠应用。
为解决上述问题，发明人发现与纳米银近似的纳米铜颗粒，纳米铜颗粒可以在低温条件下熔融，烧结后熔点接近铜单质材料(1083℃)，可构筑稳定的金属互连层。然而现有烧结设备多数是基于较为成熟的纳米银材料开发的，其设备并未深入考虑材料在工艺中的抗氧化要求。而纳米铜材料在烧结键合过程中，容易出现氧化问题。不仅如此，纳米铜材料功率器件因为体积和重量较小，在烧结键合过程中，通入惰性气体时容易被吹动而导致姿态和位置窜动。此外，现有的针对功率器件进行烧结键合的设备普遍结构复杂，体积大。由此可知，针对功率器件，尤其是纳米铜材料功率器件的烧结工艺特点，开发相应烧结设备成为关键。
发明内容
本发明的目的在于解决上述背景技术中的至少一个问题，提供一种用于功率器件封装的烧结设备。
为实现上述目的，本发明提供一种用于功率器件封装的烧结设备，包括：第一承靠座、与所述第一承靠座相对设置的第二承靠座、用于密封所述第一承靠座和所述第二承靠座的烧结腔体；
所述第一承靠座和所述第二承靠座可彼此相对地往复移动；
所述烧结腔体包括包围所述第一承靠座并且固定设置的第一腔体结构，以及包围所述第二承靠座并且随所述第二承靠座往复移动的第二腔体结构。
根据本发明的一个方面，还包括物料托盘，所述物料托盘可拆卸地支承在所述第一承靠座上。
根据本发明的一个方面，所述物料托盘上具有用于固定待烧结器件的定位结构。
根据本发明的一个方面，所述定位结构为可覆盖在待烧结器件表面的定位膜；或者，
所述定位结构为从四周包围待烧结器件并且与待烧结器件等高或者低于所述待烧结器件高度的弹性定位环。
根据本发明的一个方面，所述第一腔体结构上设有用于通入惰性气体的通孔；
所述第一承靠座上临近所述物料托盘上待烧结器件处设有用于通入惰性气体的通孔；
所述第二腔体结构上设有用于排出气体的第二通孔。
根据本发明的一个方面，还包括用于支承并驱动所述第一承靠座往复移动的第一驱动机构、用于驱动所述第二承靠座往复移动的第二驱动机构以及用于支承所述第一驱动机构、所述第二驱动机构和所述第一腔体结构的支承台。
根据本发明的一个方面，所述第一驱动机构包括用于驱动所述第一承靠座的第一驱动装置和用于支承所述驱动装置的支架。
根据本发明的一个方面，所述第二驱动机构包括第二驱动装置和与所述第二驱动装置的输出端连接并可往复移动的转接板；
所述第二承靠座和所述第二腔体结构安装在所述转接板上。
根据本发明的一个方面，还包括分别位于所述第一腔体结构和第二腔体结构中为所述第一承靠座和第二承靠座加热的加热装置。
根据本发明的一个方面，还包括计算机处理控制机构，并且所述烧结腔体中设有温度传感器、压力传感器和真空计；
所述温度传感器、所述压力传感器和所述真空计与所述计算机处理控制机构电连接，所述计算机处理控制机构通过所述温度传感器、所述压力传感器和所述真空计传递的信号控制所述烧结腔体内的温度、压力和真空度。
根据本发明的一个方面，还包括壳体，所述壳体包括上壳体、下壳体和操作台，所述上壳体上设有透明的开关门，所述开关门上设有判断所述开关门开合的传感器，所述传感器与所述计算机处理控制机构电连接，所述计算机处理控制结构根据所述传感器传递的信号开启或者关闭设备系统；
所述下壳体上设有储物抽屉和电气开关门。
根据本发明的一个方案，在第一承靠座的下方设置驱动装置向上顶其运动时，当工作结束时，复位过程中，第一承靠座可以靠其自身重力落回原位，不需要增设其他运动机构将第一承靠座拉回原位。
根据本发明的一个方案，第二承靠座和第二腔体结构安装在转接板上。如此设置，可以使得第二驱动装置驱动设置在转接板上的第二承靠座和第二腔体结构同时向下运动，使得第二承靠座和第二腔体结构能够同时运动到工作位置，即第二腔体结构与第一腔体结构连接形成烧结腔体的位置。这样，此后再由第一驱动装置单独驱动第一承靠座向上运动对器件进行挤压烧结即可。如此设置，可使得工作方便快捷，工作效率极高，也使得能够快速形成真空腔体，快速减少器件接触空气的时间和机会，使得成品率提高。
根据本发明的一个方案，第一腔体结构上设有用于通入和排出气体的通孔，这样通过管路外接设备就可以实现向腔体内冲入惰性气体(如氮气)，同时排出除氮气以外的气体。第一承靠座上设置相应的固定结构，该固定结构可以是例如与器件等高或者低于器件的高度并且包围器件的弹性定位环。这样可以保证纳米材料功率器件的位置不变，这样直至真空烧结腔的形成，功率器件可以尽量少地接触外界空气，然后通过挤压器件以完成功率器件的烧结键合，这样能够实现一边挤压烧结器件一边冲入氮气，使得纳米铜材料器件可以在高温加压过程中保持材料特性，不会被氧化，提高成品率，保证烧结质量。
根据本发明的一个方案，在将待烧结器件安装在物料托盘上后，通过定位结构将其固定后再将物料托盘安装在第一承靠座上，可以使得待烧结的纳米铜材料器件的位置稳定，这样在向腔体内冲入氮气的过程中，器件不会被冲入的氮气气流吹动，保证位置精确，提高烧结成品率。
在第一承靠座上设置通入惰性气体的通孔，能够使得通入腔体的惰性气体能够近距离吹向待烧结功率器件，这样可以使得在高温高压烧结过程中，纳米铜材料的功率器件能够远离空气，使得不被氧化，保证原有材料的性能，保证成品质量。
因为纳米铜材料功率器件在高温高压烧结过程中，其厚度会发生相应的变化，如果其高度高于纳米铜材料功率器件的高度又不易于变形，那么在压制过程中，第一承靠座和第二承靠座就需要首先克服定位环的抵抗力，这样需要加设的压力就更大，而且最后压制器件的效果会大打折扣。所以设置上述弹性定位环的目的在于在能够定位纳米铜材料功率器件的基础上，不增加阻力，保证压力全部施加在器件上。
根据本发明的用于功率器件封装的烧结设备，结构简单合理，能够有效提高功率器件的烧结键合效率，保证成品率。并且真空腔体内结构简单，尺寸和体积可控。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的用于功率器件封装的烧结设备的结构图；
图2示意性表示图1的用于功率器件封装的烧结设备的另一角度结构图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的用于功率器件封装的烧结设备的外观设计结构图。
具体实施方式
下面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它实施例，都属于本发明保护范围。
图1和图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的用于功率器件封装的烧结设备的结构图。如图1所示，根据本实施方式的用于功率器件封装的烧结设备，包括：第一承靠座1、第二承靠座2和烧结腔体3。如图1所示，在本实施方式中，第一承靠座1和第二承靠座2相对地设置，即第一承靠座1在图中下方，而第二承靠座2在第一承靠座1的正上方，并且第一承靠座1和第二承靠座2可以彼此相对地往复移动，即彼此可靠近和远离对方。在本实施方式中，烧结腔体3将第一承靠座1和第二承靠座2包围在其中，用于将第一承靠座1和第二承靠座2与外界空气隔离形成真空环境。当然，也可以在密封过程中向其中冲入惰性气体(如氮气)以将腔内空气排出。由此可知，具体地，烧结腔体3可抽取真空，也可以通入氮气、氩气或者氢氩混合气体等保护气氛。
如图2所示，烧结腔体3包括第一腔体结构301和第二腔体结构302。在本实施方式中，第一腔体结构301包围第一承靠座1，并且该第一腔体结构301固定设置，即其不随第一承靠座1的运动而运动。第二腔体结构302包围第二承靠座2，并且其随着第二承靠座2的运动而运动，即与第二承靠座2同时往复移动。
由上可知，在本实施方式中，因为第一腔体结构301固定不动，所以在形成烧结腔体3的过程中，主要靠第二腔体结构302的运动与第一腔体结构搭接后形成，而在形成密封的烧结腔体3后，实际上第一承靠座1和第二承靠座2还未挤压接触，这时可以通过调整第一承靠座1的上下位置来实现第一承靠座1和第二承靠座的挤压接触。
进一步地，如图1所示，在本实施方式中，用于功率器件封装的烧结设备还包括用于支承并驱动第一承靠座1上下往复移动的第一驱动机构4、用于驱动第二承靠座2往复移动的第二驱动机构5以及用于支承第一驱动结构4、第二驱动机构5和第一腔体结构301的支承台6。
如图1所示，在本实施方式中，第一驱动机构4包括用于驱动第一承靠座1的第一驱动装置401和用于支承驱动装置的支架402。如图1所示，支架402安装固定在支承台6的下表面上，第一驱动装置401在第一承靠座1的下方驱动第一承靠座1做上下往复移动。在本发明中，第一驱动装置401可以采用手动驱动，也可以采用自动驱动，例如使用手动千斤顶，或者使用直线电机、伺服电机、气缸、液压缸等驱动装置。在本实施方式中，在第一承靠座1的下方设置驱动装置向上顶其运动时，当工作结束时，复位过程中，第一承靠座1可以靠其自身重力落回原位。而如果采用的向下施压的方式，当工作结束时，复位时需要增设其他的机构将承靠座拉回，这样使得结构更加复杂，而且不能够比本发明形成更具效率的烧结腔体3。
不仅如此，如图1所示，在本实施方式中，第二驱动机构5包括第二驱动装置501和与第二驱动装置501的输出端连接并可往复移动的转接板502，第二承靠座2和第二腔体结构302安装在转接板502上。如此设置，可以使得第二驱动装置501驱动设置在转接板502上的第二承靠座2和第二腔体结构302同时向下运动，使得第二承靠座2和第二腔体结构302能够同时运动到工作位置，即第二腔体结构302与第一腔体结构301连接形成烧结腔体3的位置。这样，此后再由第一驱动装置401单独驱动第一承靠座1向上运动对器件进行挤压烧结即可。如此设置，可使得工作方便快捷，工作效率极高，也使得能够快速形成真空腔体，快速减少器件接触空气的时间和机会，使得成品率提高。在本发明中，第二驱动装置501为直线电机或者气缸等。
进一步地，因为需要对纳米铜材料功率器件进行高温加热，所以在本实施方式中，在第一腔体结构301和第二腔体结构302中均设有为第一承靠座1和第二承靠座2加热的加热装置。在本发明中，加热装置可以为任何能够为第一承靠座1和第二承靠座2高温加热的装置或部件。
基于上述设置，
根据本发明的一种实施方式，本发明的用于功率器件封装的烧结设备还包括物料托盘，该物料托盘是可拆卸地支承在第一承靠座1上的。即与上述实施方式不同的是，在本实施方式中，待烧结器件是安装在物料托盘中的，而安装好器件以后，将物料托盘再安装到第一承靠座1上。在本实施方式中，物料托盘上具有用于固定待烧结器件的定位结构，该定位结构可以是能够覆盖在待烧结器件表面的定位膜或者从四周包围待烧结器件并且与待烧结器件等高或者低于待烧结器件的弹性定位环。并且在本实施方式中，第一腔体结构301上设有用于通入和排出气体的通孔3011，而第一承靠座1上临近物料托盘上待烧结器件的位置设有通入惰性气体的通孔。当然，如果通孔距离器件仍然较远时，也可以在物料托盘上设置相应的通孔。第二腔体结构302上设有用于排出气体的第二通孔3021。
根据本发明的上述实施方式，在将待烧结器件安装在物料托盘上后，通过定位结构将其固定后再将物料托盘安装在第一承靠座1上，可以使得待烧结的纳米铜材料器件的位置稳定，这样在向腔体内冲入氮气的过程中，器件不会被冲入的氮气气流吹动，保证位置精确，提高烧结成品率。
不仅如此，在第一承靠座1上设置通入惰性气体的通孔，能够使得通入腔体的惰性气体能够近距离吹向待烧结功率器件，这样可以使得在高温高压烧结过程中，纳米铜材料的功率器件能够远离空气，使得不被氧化，保证原有材料的性能，保证成品质量。
此外，因为纳米铜材料功率器件在高温高压烧结过程中，其厚度会发生相应的变化，如果其高度高于纳米铜材料功率器件的高度又不易于变形，那么在压制过程中，第一承靠座1和第二承靠座就需要首先克服定位环的抵抗力，这样需要加设的压力就更大，而且最后压制器件的效果大打折扣。所以设置上述弹性定位环的目的在于在能够定位纳米铜材料功率器件的基础上，不增加阻力，保证压力全部施加在器件上。
此外，除了以上设置，本发明还包括以下设置：
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的用于功率器件封装的烧结设备的外观设计结构图。如图3所示，在本实施方式中，用于功率器件封装的烧结设备还包括用于封装上述结构的壳体7，壳体7包括上壳体701、下壳体702和位于上壳体701和下壳体702之间的操作台703，其中上壳体701上设有电气按钮和显示屏，电气按钮包括电源按钮、加热按钮、驱动装置启动按钮等，显示屏包括压力显示屏、温度显示屏和真空度显示屏等。在本实施方式中，用于功率器件封装的烧结设备还包括计算机处理控制机构，并且烧结腔体3中设有温度传感器、压力传感器和真空计。温度传感器、压力传感器和真空计与计算机处理控制机构电连接，计算机处理控制机构通过温度传感器、压力传感器和真空计传递的信号控制烧结腔体3内的温度、压力和真空度。而期间的温度、压力和真空度均会显示在上述显示屏上。这样可以根据显示数值对本发明的设备进行智能控制，以实现纳米材料功率器件的精确烧结键合。
如图3所示，上壳体701上还设有开关门7011，该开关门7011是透明的，这样通过开关门7011就可以清楚地观察设备内部的工作情况，实时监控设备工作，避免发生故障或者发生故障时不被得知。不仅如此，该开关门7011上还设有判断开关门7011开合的传感器，该传感器与上述计算机处理控制机构电连接，计算机处理控制机构根据该传感器传递的信号对整个设备系统进行开启和关闭的控制。例如，如果开关门7011未关闭，传感器传递给计算机处理控制机构开关门7011未关闭的信号，计算机处理控制机构即关闭设备系统，使设备不能够运行，保证设备和操作人员的安全。
此外，如图3所示，下壳体702上设有储物抽屉7021和电气开关门7022，如此设置可以使得设备能够储存相关的操作器件并且对内部进行电气维修等。
另外，如图3所示，操作台703的台面较宽，这样可以在操作时承放很多相关的操作器件。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (11)
1.用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，包括：第一承靠座(1)、与所述第一承靠座(1)相对设置的第二承靠座(2)、用于密封所述第一承靠座(1)和所述第二承靠座(2)的烧结腔体(3)；
所述第一承靠座(1)和所述第二承靠座(2)可彼此相对地往复移动；
所述烧结腔体(3)包括包围所述第一承靠座(1)并且固定设置的第一腔体结构(301)，以及包围所述第二承靠座(2)并且随所述第二承靠座(2)往复移动的第二腔体结构(302)。
2.根据权利要求1所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，还包括物料托盘，所述物料托盘可拆卸地支承在所述第一承靠座(1)上。
3.根据权利要求2所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，所述物料托盘上具有用于固定待烧结器件的定位结构。
4.根据权利要求3所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，所述定位结构为可覆盖在待烧结器件表面的定位膜；或者，
所述定位结构为从四周包围待烧结器件并且与待烧结器件等高或者低于所述待烧结器件高度的弹性定位环。
5.根据权利要求4所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，所述第一腔体结构(301)上设有用于通入惰性气体的第一通孔(3011)；
所述第一承靠座(1)上临近所述物料托盘上待烧结器件处设有用于通入惰性气体的通孔；
所述第二腔体结构(302)上设有用于排出气体的第二通孔(3021)。
6.根据权利要求1所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，还包括用于支承并驱动所述第一承靠座(1)往复移动的第一驱动机构(4)、用于驱动所述第二承靠座(2)往复移动的第二驱动机构(5)以及用于支承所述第一驱动机构(4)、所述第二驱动机构(5)和所述第一腔体结构(301)的支承台(6)。
7.根据权利要求6所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，所述第一驱动机构(4)包括用于驱动所述第一承靠座(1)的第一驱动装置(401)和用于支承所述驱动装置(401)的支架(402)。
8.根据权利要求7所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，所述第二驱动机构(5)包括第二驱动装置(501)和与所述第二驱动装置(501)的输出端连接并可往复移动的转接板(502)；
所述第二承靠座(2)和所述第二腔体结构(302)安装在所述转接板(502)上。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，还包括分别位于所述第一腔体结构(301)和第二腔体结构(302)中为所述第一承靠座(1)和第二承靠座(2)加热的加热装置。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，还包括计算机处理控制机构，并且所述烧结腔体(3)中设有温度传感器、压力传感器和真空计；
所述温度传感器、所述压力传感器和所述真空计与所述计算机处理控制机构电连接，所述计算机处理控制机构通过所述温度传感器、所述压力传感器和所述真空计传递的信号控制所述烧结腔体(3)内的温度、压力和真空度。
11.根据权利要求10所述的用于功率器件封装的烧结设备，其特征在于，还包括壳体(7)，所述壳体(7)包括上壳体(701)、下壳体(702)和操作台(703)，所述上壳体(701)上设有透明的开关门(7011)，所述开关门(7011)上设有判断所述开关门(7011)开合的传感器，所述传感器与所述计算机处理控制机构电连接，所述计算机处理控制结构根据所述传感器传递的信号开启或者关闭设备系统；
所述下壳体(702)上设有储物抽屉(7021)和电气开关门(7022)。
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2020
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