CN1278363A - 元件及制造元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种元件和制造这种元件尤其是包括微电子芯片及引线架的电子元件的方法,这种元件通过等温凝固制成。

Description

元件及制造元件的方法
本发明涉及一种元件及制造此元件尤其是包括微电子芯片和引线架的电子元件的方法。
已知等温凝固法用于制造元件，尤其是在基质、散热片等上装配集成的微电子元件。例如在DE-A-19531158中介绍了这样一种方法。
其中，微电子元件和散热片首先镀金属层，在这里采用至少一种低熔点和一种较高熔点的金属。金属镀层直接接触，用预定的温度过程加热并在反应时间内压紧，直至低熔点金属与熔点较高的金属结束反应。在此过程中，低熔点的组成部分扩散到高熔点的组成部分中并形成一个连接层，此连接层在比低熔点组成部分的熔化温度高得多的温度下是稳定的。只有在此等温的凝固反应结束时此连接才牢固。这一过程在可使用于电子器件原材料最高约300℃范围内的温度下可持续至60min，并优选地在真空炉内实施。在这种情况下必须在两个部分组合的整个接缝时间内在连接部位施加较高的压力，以满足接缝过程的需要。
尽管这种金属的连接方式允许微电子元件在例如散热片或热扩散器(Wrmespreizer)上完成非常有利的热结合，但这种等温凝固方法由于接缝时间持续许多分钟故不能使用于微电子元件商业性的生产过程中，在那里在将芯片放在引线架上典型的运行时间为几秒钟。
为了缩短整个反应时间并因而也缩短接缝时间，在此时间内必须压紧元件以及连接层凝固或完成反应，曾建议选择一种材料组合，它有在等温凝固时形成的金属间相较高的生长率。然而这种材料组合不适用于所有的目的。作为缩短反应时间的另一项措施建议，减小金属活性层的厚度。在有些系统中层厚减半使反应时间缩短为四分之一。然而层厚减少的下限值由元件部分的表面粗糙度或曲率决定。
本发明的目的是提供一种借助于热凝固制造元件的方法以及一种元件，它所需的接缝时间少于一分钟。
此目的通过独立权利要求的特征达到。由其他的权利要求和说明可以得知进一步发展的和有利的设计。
本发明的出发点是，将反应持续时间分解为两个时间段。第一个时间段的特征在于接缝的持续时间，第二个时间段的特征在于剩下的反应持续时间。元件部分牢固组合的真正过程在反应持续时间内的接缝持续时间期间完成，在反应持续时间内实施等温凝固。接缝持续时间优选地短于反应持续时间。
按本发明，在接缝持续时间期间，在元件或两个元件部分上作用预定功率的形式上为振动能量尤其是超声波能量的动态压紧力。另一种有利的振动能量作用在于，给元件部分之一或两个元件部分加摩擦振荡，在这种情况下彼此贴靠的接触面相对运动，并发生在机械和/或热支持下的接触面材料的反应过程。
特别优选的是，这两个元件部分至少在一开始或在振动作用期间借助于预定的静态压紧力压紧。有利的是压紧力只在接缝持续时间内作用在元件上。特别有利的是振动能量和压紧力同时作用。优选的是振动能量在元件部分上作用的时间可短于接缝持续时间，特别优选地在接缝持续时间的一开始作用振动能量。
因此成功地做到了，在一个与真正必要的反应持续时间相比为很短的接缝时间内，元件部分就已经对于进一步的加工过程而言有足够机械强度地互相连接在一起，而在进一步的加工过程中等温凝固过程仍继续进行。因此对于制造过程特别有利的是，其余的反应持续时间可在与组合时施加振动能量的地点不同的另一个地点渡过。
当反应温度选得较高时，有利的是振动能量的作用时间选得较短。
振动能量有利的作用持续时间在50ms和600ms之间。有利的是振动能量可最多作用接缝持续时间的70％。合乎目的的是，使用在0.3W/mm2与3W/mm2之间的超声波功率(P1)。
有利的是采用在0.2N/mm2与1.5N/mm2之间的静态压紧力(F1)；优选使用尽可能大的压紧力。优选的静态压紧力至少为1.5N/mm2。有利的反应温度在150℃与400℃之间。有利的反应持续时间在10s与3min之间。
合乎目的的是，此方法在惰性气体环境内至少比室温高的温度下实施。
有利的是，第一金属镀层至少含一铟层，优选含金和铟的分层次序，和/或第二金属镀层至少含一金层和/或一银层。特别有利的是在两个元件部分的接触部位令铟层与金层接触。按另一种有利的实施形式令两个铟层接触。
恰当的是金属镀层加在扩散阻挡层上。扩散阻挡层有利的厚度小于0.5μm。
第一金属镀层有利的厚度在3与7μm之间。恰当的是将两个金属镀层的厚度比大体调整为形成金属间化合的相的比例。一种有利的选择是，金层的厚度最多选择为铟层厚度的大约一半。
特别有利的是令铟层生长在较薄的金层上，它保护可能的粘附和阻挡层。
优选地第一元件部分由微电子芯片尤其硅芯片构成，第二元件部分由导热体尤其硅体、陶瓷体或金属体构成，以及在元件部分之间有一连接层，它由成分为AuIn和/或AuIn2的合金和/或它们的混合物构成。
有利的是连接层与一个元件部分或与两个元件部分之间有扩散阻挡层，它有钛和/或钛、镍和铬。特别有利的是连接层在温度400℃以上是稳定的。
下面详细说明并借助于附图进一步表明对本发明重要的特征。其中：
图1两个具有金属镀层的元件部分在组合成按本发明的元件之前；
图2按本发明的方法组合后的按本发明的元件；
图3按本发明方法的温度时间曲线。
下面以微电子元件为例说明本发明。但本发明不限于这种应用范围，也不限于举例中提及的材料，确切地说，本发明适用于所有能实施等温凝固过程的材料。
等温凝固可应用于在较低的温度下形成非常牢固的连接，这种连接在很高的温度下是稳定和可受载的。按先有技术，这种连接过程的基本原理是，在高熔点组成部分之间布置一个由低熔点金属构成的薄膜或薄镀层的中间层。这一结构在压力下加热至反应温度，在这种情况下形成液态中间层。此时或可能超过低熔点层的熔点，或在高熔点与低熔点组成部分之间发生共晶反应。
熔化的中间层导致在高熔点与低熔点组成部分之间比较快速的相互扩散或反应渗透。随后的近似于热力学的平衡状态造成等温凝固并形成一个牢固的连接层。当适当选择高熔点和低熔点组成部分的材料时，在反应温度下在连接层内形成的固相的熔点明显地高于反应温度。
图1表示按本发明方法的起始步骤。优选微电子芯片特别优选硅芯片的第一元件部分1，在规定与第二元件部分2连接的接触侧1.1上带有一个包括多个尤其三个分层1.2、1.3、1.4的第一金属镀层。优选一种良好导热的基质应当用作芯片1的散热片或热扩散器的第二元件部分，同样在规定与第一元件部分1连接的接触侧2.1上带有一个由多个分层2.2和2.3组成的金属镀层。第二元件部分2优选地是硅基质或导热陶瓷或金属基质。
分层1.2、1.3、1.4、2.2、2.3优选地由不同的金属构成。其中，一个元件部分的外层优选地有比另一个元件部分的外层低的熔点。
第一元件部分的外层1.2优选地用铟构成，并优选地具有层厚为3-7μm。此外层1.2沉积在第二个优选地较薄的层1.3上，层1.3优选地由以后在接缝过程中与之实行等温凝固的，尤其是一个金层，相同的材料构成。金层1.3的层厚约0.1μm是恰当的。有利的是此第二层1.3沉积在第三层1.4上，它起等温凝固的组成部分与芯片1之间的粘附剂层和/或扩散阻挡层的作用。第三层1.4优选地是一种针对此目的常用的由钛与添加物镍和铬或类似材料组成的组合层。此扩散阻挡层有利的层厚是约0.1μm。在外部分层1.2与扩散阻挡层1.4之间的第二层1.3带来特别有利的结果，即，在开始等温凝固反应时，外层1.2既与接触部位也与层1.3和/或元件部分基体1的界面开始反应，所以防止了起反应的分层次序受元件部分1的污染。
第二元件部分2合乎目的地同样有一粘附剂层和/或扩散阻挡层2.3，优选地有与在元件部分1中相同的厚度和类似的成分。第二元件部分2的外部分层2.2优选地用金构成。金层2.2的层厚优选地选择为，在两个元件部分1和2的两个外层1.2和2.2的组成部分完全反应时能构成稳定的优选AuIn和/或AuIn2或它们的混合物的金属间连接。因此有利的是，在一种由铟作为第一元件部分1外层1.2与金作为第二元件部分2外层2.2的组合中，金层的厚度只有铟层厚度的二分之一，铟层厚度优选地在4-7μm之间以及金层厚度约2μm。
因此，在选择另一些等温凝固的反应组分时有利的是，金属组成部分的具体层厚相应地适应于可能构成的金属间相。高熔点与低熔点金属组成部分的厚度比优选地选择为，使有助于反应的原子数大体有构成金属间相的成分之比。
在此实施例中所选择材料的优点是，它们是互相协调的。一方面铟有约160℃的很低的熔点，所以在散热片上接合时元件的热负荷很小；另一方面金还往往在此类过程中用作钛层的保护层。按本发明的分层结构的优点是特别简单，因为在金与铟之间不需要阻挡层。
这种金属层结构的一个优点在于，低熔点的组成部分铟只须沉积在一个元件部分上。因此取消了为第二个元件部分用低熔点组成部分镀层的步骤。不过也不排除可能性在两个元件部分上均分别设有一个低熔点组成部分的层，尤其是铟层，它们规定作为接触层。
在等温凝固中优选形成的相AuIn和AuIn2，在比铟的熔点高得多的温度下是稳定的。这种连接层可使用至约450℃。
这两个元件部分1和2互相贴靠，所以优选一个铟层和一个金层的两个外层1.2和2.2直接接触，接着加热到反应温度T1，它优选地至少等于低熔点组成部分的熔点，特别优选在200℃和300℃之间。在加热阶段不需要使用压紧力。优选地反应温度T1不达到高熔点组成部分的熔化温度。与先有技术相反，此方法不必在真空炉内或在氮氢混合气环境内实施。合乎目的的是此反应在较高的温度下在惰性气体尤其在氮或氩环境内实施。由此可以避免在过程中组成部分尤其是铟可能的不希望的氧化。其结果是有利地允许金层更好地通过铟扩展。恰当的惰性气流例如在0.1L./min至1L./min之间。尽管惰性气体环境是合乎目的的，但对于按本发明的方法并非起决定性作用的。尤其在例如自动化的方法中完全可以取消惰性气体环境。
元件部分优选地在整个反应时间t1保持反应温度T1。对于铟-金系统，在反应温度为300℃时反应时间t1约15s，而当使用较低的反应温度为200℃时反应时间t1增加到接近2min。在反应温度下低熔点的组成部分熔化并开始扩散到高熔点的组成部分内和进行反应。
按本发明的方法重要之点在于，两个元件部分1和2在反应时间t1的一开始，至少在达到反应温度T1时，加入振动能量和在它们的接触面处相对运动。一种适宜的振动能量是超声波能量。另一种适宜的振动能量是在两个元件部分1、2之间类似于在摩擦焊过程中振动的一种摩擦振荡，在这种情况下使两个或只使一个元件部分振动。这种振动能量特别适合于在大面积的元件中使用并有这样的优点，即，由于与超声波相比在摩擦焊时频率较低，所以元件受到的负载较小。
元件在地点上优选地处于其中提供振动能量的接缝区内。在这里存在这种振动能量的施加是起决定性作用的，而作用的功率P1可在一个宽的范围内即可在0.3W/mm2与3W/mm2优选地在0.5W/mm2与2.5W/mm2之间选择。振动能量P1至多在整个接缝持续时间t2内作用在元件上。优选地，振动能量作用的持续时间短于接缝持续时间t2，尤其至多为70％接缝持续时间t2，特别优选地此振动能量在接缝持续时间的一开始作用在元件部分上。
在接缝区，在相同的持续时间t2内在元件上附加地施加压紧力F1，借助于它将两个元件部分1、2互相压紧。优选地此元件同时加超声波能量P1和压紧力F1。优选地此压紧力在0.2N/mm2与1.5N/mm2之间，特别优选地在0.25N/mm2与1.25N/mm2之间。在芯片尺寸典型地为2×2mm2时，适宜的压紧力例如为1-5N。压紧力F1选得尽可能高是有利的。
反应时间t1在反应温度为300℃时的约15s与在200℃时的2min之间，而接缝持续时间t2则比反应时间t1短得多。优选地，在反应温度T1较高时振动能量的作用时间缩短，尤其是振动持续时间在50ms与600ms之间，特别优选地在100ms与500ms之间。
虽然在经过接缝持续时间t2后等温凝固的反应尚未结束，但两个元件部分1、2之间的连接已经牢固到不再需要继续加压紧力和/或不再需要继续加超声波能量来使两个元件部分连接。图2表示了按本发明的元件，它由两个上述的元件部分1、2组成，它们通过连接层3，优选地通过铟和金和/或Auln和/或Auln2或它们的混合物牢固连接。此元件可优选地在反应温度T1不变的情况下从接缝区亦即从超声波能量和压紧力作用区取出并在另一区域内完成反应，对于系统铟一金优选2-4min，接着冷却到室温。接缝区在此接缝持续时间结束后立即准备再次用于下一个接缝过程。在全部反应时间t1中充分的等温凝固反应接着可在时间上无关紧要的连接工艺区域内进行。这种连接如此牢固，以至能成功地通过通常用例如0.6kg/mm2的剪切试验。
在制造过程中此方法的一种典型的顺序是，将元件的一个元件部分在优选地加热的接缝区内用普通的工具放在作为装配面的第二元件部分上，尤其放在一散热片上，在那里在附加地加入超声波或摩擦能量的情况下保持接缝持续时间，接着在反应区保持尚余留的反应持续时间。在这里，在过程中对过程为关键的元件在装配面上的所谓取和放时间(Pick-and Place Zeit)优选地在数秒范围内，所以接缝区可在以秒计的周期内空出，用于装备一个新元件的元件部分。
图3表示按本发明的方法的温度时间曲线。等温凝固在反应温度T1下反应持续时间t1内进行，接缝持续时间t2在反应持续时间t1的范围内，优选在反应持续时间的一开始。优选地接缝持续时间t2只是反应持续时间t1的一部分。
因此按本发明的方法可以组合在一个商业性的生产过程中，其中用于这种连接过程的周期时间可能只允许几秒钟的误差，尤其是可使此接缝过程自动化。在接缝区用于元件部分1、2的安装、组合和连接的全部适时间可低于5秒钟。此时间可优化至1秒以下。
采用按本发明的方法制造的元件，在两个元件部分之间的连接层有良好导热率、低的电阻以及连接层熔点高。按此方式制成的微电子元件优选地适合在大功率中使用。
特别有利的是铟和金作为熔点低的和较高的金属组成部分的材料组合，因为由制造商提供的微电子芯片往往已具有金的接触背面。这种微电子芯片便可以很方便地与通常尤其由铜或一种铁镍合金尤其由所谓的Alloy42制成的引线架(Lead Frame)借助于等温凝固连接。一种经济的替换方案是，金部分地或完全用银代替。
在第一种优选的实施形式中，适当厚度的铟层至少涂覆在引线架或芯片座的芯片放置面上，以及芯片接着与引线架按本发明的方法牢固连接。特别经济的是将含铟的软膏涂覆在芯片放置面上。有利的是引线架或芯片座规定用于接纳元件的表面至少区域性地设银层。
在另一种优选的实施形式中，适当厚度的铟层涂覆在规定作为与芯片座接触表面的芯片背面上。尤其是铟层沉积在较薄的钛和金层的分层次序上，而规定用于承接芯片的引线架或芯片座的区域内覆盖金层，它的厚度按本发明与铟层厚度相匹配。合乎目的并降低成本的做法是，只有直接的芯片放置面才镀有金层。得到的一个优点是基本上避免引线架被铟污染。特别有利的是在反应结束后没有多余的铟。有利的是，引线架或芯片座无金层的边缘地区附加地设一个拒斥铟的镀层。
有利的是金层的面积设计为与芯片面积相同的大小。特别有利的是，将可能留下的芯片放置面覆盖不被铟扩展的材料。由此避免在连接过程中被熔化的铟污染引线架。
在另一种有利的和经济的实施形式中，在引线架或芯片座上设银层替代金层。合乎目的的是，在芯片背面的铟层还设有一金层，它比银层薄。
在一种优选结构中，规定与引线架触点闭合的芯片背面按分层次序镀层，其中首先在芯片背面沉积一薄的钛层，然后沉积薄的金层，最后沉积一厚的铟层。优选的层厚是钛约100nm，金约100nm和铟约4μm。引线架在按本发明的方法芯片应与之连接的那一侧上镀覆一厚的金层，它大约是铟层厚度的一半。优选地此引线架用Alloy42制造。优选的金层厚度约2μm。
按另一种优选的结构，规定与引线架触点闭合的芯片背面按分层次序镀层，其中首先在芯片背面沉积一薄的钛层和/或铬层，然后沉积厚的铟层，以及最后沉积一薄的金层。优选的层厚是钛和/或铬约100nm，金约100nm以及铟约4μm。引线架在按本发明的方法芯片应与之连接的那一侧上镀覆一薄的银层，它大约是铟层厚度的一半。引线架优选地用Alloy42制造。优选的银层厚度约2μm。
在另一种特别经济的结构中，芯片上规定用于与引线架触点闭合的背面按分层次序镀层，其中，首先在芯片背面沉积一薄的钛层，然后沉积一厚的金层。引线架在按本发明的方法芯片应与之连接的那一侧上涂覆一个厚的含铟的软膏层，尤其丝网印刷软膏层，它大约是金层厚度的两倍。优选的层厚是钛约100nm，金约2μm以及铟软膏约4μm。引线架优选地用Alloy42制造。

Claims (37)

1.制造元件的方法，其中第一个元件部分以其一个它的外表面由一种可熔的金属构成的接触侧(1.1)放在第二个元件部分的一个它的外表面由一种可熔的金属构成的接触侧(2.1)上，此元件按预定的温度和压紧力过程加热，直到这两个表面之间等温的凝固反应结束为止，其特征为：这两个元件部分(1、2)互相贴靠的接触面(1.1、2.1)至少在一个比反应持续时间(t1)短的接缝持续时间(t2)的一部分内通过振动能量(P1)施加动态压紧力，此时至少使其中一个元件部分(1、2)沿纵向和/或横向振动。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：向元件部分加入振动能量(P1)的时间比接缝持续时间(t2)短。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：振动由超声波能量产生。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：振动由频率低于超声波区的摩擦振荡产生。
5.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：元件部分(1、2)在接缝持续时间(t2)期间附加地借助静态压紧力(F1)压紧。
6.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：超声波能量(P1)和压紧力(F1)同时作用。
7.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：采用功率在0.3W/mm2与3W/mm2之间的振动能量(P1)。
8.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：采用在0.2N/mm2与1.5N/mm2之间的压紧力(F1)。
9.按照前列诸权利要求1至7中一项或多项所述的方法，其特征为：使用至少1.5N/mm2的压紧力(F1)。
10.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：当反应温度(T1)选择得较高，则振动持续时间(t2)选择得较短。
11.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：反应持续时间在10s与3min之间。
12.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：元件部分(1、2)在50ms与600ms之间加入振动能量(P1)。
13.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：元件部分(1、2)最多在70％接缝持续时间内加入振动能量(P1)。
14.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：元件部分(1、2)从接缝持续时间开始时加入振动能量(P1)。
15.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：元件部分(1、2)的外表面由在不同温度下熔化的金属构成。
16.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：元件部分(1、2)的外表面由在同一温度下熔化的金属构成。
17.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：反应温度(T1)低于熔点较高的组成部分的熔化温度。
18.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：反应温度(T1)在150℃与400℃之间。
19.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：此方法在惰性气体环境内至少在比室温高的温度下实施。
20.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：熔点较高的和熔点较低的金属组成部分(1.2、2.2)的厚度比按这样的方式选择，即，使各组成部分(1.2、2.2)供反应用的原子数量大体有所期望的在反应中构成的金属间相的成分之比。
21.按照权利要求20所述的方法，其特征为：厚度比选择为使熔点较高的组成部分(2.2)存在余量。
22.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：第一金属镀层(1.2、1.3、1.4)至少含一个金和铟的分层次序。
23.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：第二金属镀层(2.1、2.2)至少含一金层。
24.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：在两个元件部分(1、2)的接触部位令铟层(1.2)与金层(2.2)接触。
25.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：在两个元件部分(1、2)的接触部位令铟层(1.2)与铟层接触。
26.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：铟层(1.2)的厚度在3与7μm之间。
27.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：铟层(1.2)加在较薄的金层(1.3)上。
28.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：金层(2.2)的厚度只有铟层(1.2)厚度的一半。
29.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：第一元件部分(1)由一微电子芯片构成。
30.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：第二元件部分(2)由硅体构成。
31.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：第二元件部分(2)由良好导热的陶瓷体构成。
32.按照前列诸权利要求中一项或多项所述的方法，其特征为：第二元件部分(2)由金属体构成。
33.由第一个元件部分和第二个元件部分尤其由微电子芯片和引线架组成的元件，其特征为：元件有一个恒温凝固的熔点高于400℃的连接层(3)，通过它将第一元件部分(1)和第二元件部分(2)互相牢固连接。
34.按照权利要求33所述的元件，其特征为：连接层(3)主要有成分为AuIn和/或AuIn2的合金或它们的混合物。
35.按照权利要求33或34所述的元件，其特征为：元件在一个或两个元件部分(1、2)与连接层(3)之间有扩散阻挡层(1.4、2.3)。
36.按照权利要求33、34或35所述的元件，其特征为：扩散阻挡层有钛、镍和铬。
37.按照前列诸权利要求33至36中一项或多项所述的元件，其特征为：扩散阻挡层有钛和/或镍和/或铬或一种钛、镍和/或铬的组合。
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