CN1819161B - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种半导体器件，其中创建用于防止焊料流动的挡料是很简单的，且其可靠性很高。通过由在预定图案中涂覆而设置在金属基底上的挡料的手段，可限制在将多个电路板接合到金属基底中所用的焊料的流动。

Description

半导体器件及其制造方法
背景技术
本发明涉及半导体器件及其制造方法，特别涉及一种半导体器件，诸如通过将半导体器件芯片接合在电路板的一侧，并且将用于分散半导体器件芯片中产生的热量的金属基底接合在另一侧而制成的电源模块，及其制造方法。
在诸如电源模块的半导体器件的制造中，将多个散热、电绝缘板接合到金属基底上是通过焊接来执行的。此时，在相关的领域，商用焊料阻焊层被涂在金属基底上并干燥，以防止焊料流动(例如，参见专利文献1)。并且，在不能使用焊料阻焊层的安装环境中，在电路板固定在定位夹具之类的情况下执行焊料接合。
还有一种用激光束在金属基底上形成氧化薄膜或凹陷以阻止焊料流动的方法，但是当焊料的量很大(以厚度来讲，0.05mm或更大)时，这种方法很大程度上是无效的。
专利文献1：JP-A-6-244224
但是，相关记录的焊料阻焊层是有问题的，即在制作涂层的掩模以及从涂覆到干燥的工艺步骤中需要成本和时间。
并且，由于焊料阻焊层，因为它通常是诸如环氧树脂的有机物质，它对焊接热量的抗性不是很高，并且例如，当非流动焊接是在氧气环境下执行时，从焊料阻焊层中的放气的出现使可焊性削弱，还有诸如设备污染的问题，并且该应用有所限制。
发明内容
为了解决上述问题以及其它问题，本发明提供一种半导体器件，它具有接合在电路板一侧上的半导体芯片，以及接合在电路板另一侧上的、用于分散半导体芯片中产生的热量的金属基底，其中挡料(dam material)通过被涂覆在预定的图案中而设置在金属基底上，以限制在将多个电路板接合到金属基底中使用的焊料流动。
采用该构造，由于挡料通过涂覆在预定的图案中而设置在金属基底上的方法，从而限制在将多个电路板接合到金属基底中使用的焊料的流动。
并且，本发明的第二方面是提供一种半导体器件，它将具有耐焊料热特性高的无机物质用作挡料，并通过这种手段来防止在焊接期间所出现的放气。
在本发明中，与相关领域的焊料阻焊层不同，将多个电路板接合到金属基底中使用的焊料的流动由于挡料通过涂覆在预定的图案中而设置在金属基底上的手段而被限制，从而就有可能轻易制造出半导体器件，其中在焊接期间可防止焊料流动。并且，由于并没有执行涂层掩模的制作以及涂覆，可预期减少成本。
并且，因为耐焊料热特性高的无机物质被用作挡料，可防止在焊接期间出现放气。因此，在焊接的同时，既没有削弱可焊性，也可避免设备污染，并且可制造出高度可靠的半导体器件。
附图说明
图1是半导体器件较佳实施例的主要部分的透视图；
图2是示出阻挡(dam)部分图案的图；
图3是示出阻挡部分图案的图；以及
图4是示出固定在金属基底上的碳夹具的图；
具体实施方式
将参照附图对本发明的较佳实施例做出详细的描述。
图1是根据本发明的半导体器件较佳实施例的主要部分的透视图。
通过将半导体芯片12接合到电路板11的一侧，并将用于分散这些半导体器件12中产生的热量的金属基底13接合到另一侧，同时将用于限制在将多个电路板11接合到金属基底13中所用的焊料14流动的挡料15放置在金属基底13上，来制成该较佳实施例的半导体器件10。
通过将导体图案由直接接合或活性金属接合之类而接合到陶瓷板的前后侧来制成电路板11，并且在如下的描述中假设使用通过将铜接合到陶瓷板的前后侧而制成的DCB(直接铜焊)板。
半导体芯片12是，例如用在诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)的电源模块中的设备，并用焊料(未示出)接合在电路板11上。
金属基底13是散热片，具有散除安装其上的半导体芯片12中所产生热量的功能，并且使用了镀Ni(镍)的Cu(铜)。
挡料15，是该较佳实施例的特征之一，通过涂覆、热旋涂或电镀在金属基底13上形成为具有预定图案的阻挡部分。
图2A和2B以及图3A和3B是示出阻挡部分的图案的图形。
在图2A中示出的阻挡部分15a的图案是一种典型的图案，并且是一种其中形成有阻挡部分15a以围绕电路板11后侧的铜镀层外围11a(用虚线示出(其他图中也类似))的图案。图2B示出了一种图案，其中形成有阻挡部分15b以围绕六个电路板11的铜镀层外围11a。当焊料量很小并且在电路板11之间的焊料外溢很少时使用该图案。
图3A示出的阻挡部分15a的图案是一种示例，其中形成有与单个电路板11的后侧铜镀层外围11a的尺寸相同或较小的阻挡部分。并且图3B示出的阻挡部分15d的图案是一种示例，其中阻挡部分仅仅形成在电路板11的铜镀层外围11a之间，并且与图1中示出的相同。当焊料的用量很大时，如果形成具有很大宽度的阻挡材料15d，如图3B所示，可有效地防止焊料的外溢。并且如果在焊料溢出不成问题的一侧上没有形成图案，则在焊接期间焊料将会流到这些侧，并且在必需阻止焊料溢出的侧上的焊料流动可有效地阻止。
现在对形成挡料15的方法进行描述。
作为用作挡料15的物质，使用具有耐焊料热特性高和非可焊性的无机物质。具体地，使用一种具有碳或陶瓷微粒作为主要成分、并通过将这些微粒与易挥发粘接料混合而制成的物质。作为一种以陶瓷为主要成分的挡料，可使用一种用于将陶瓷组分粘合的陶瓷黏合剂。陶瓷黏合剂具有作为主要成分的硅酸和硼酸，并可承受1000℃或以上的温度。但是，在这些陶瓷黏合剂中，使用一种在干燥之后不会剩下有机粘接料的黏合剂。在该情形中，可用于在氢气还原环境中的焊接。在陶瓷材料的情形中，通过选择一种具有良好电绝缘性的材料并将其涂一厚层，就有可能进一步增加阻挡效应和电绝缘性。通过这些材料的方法，例如使用应用撒布器的精细涂覆技术，具有预定图案的挡料15通过涂覆形成在金属基底13上。或者可使用掩模印制方法。通过这些手段，就有可能通过在线(in-line)自动化来有效生产大量的批量产品，并可实现半导体器件10的高质量、高可靠性、低成本以及生产时间缩短。
并且，作为挡料15，还可使用诸如铅笔芯的固态碳。虽然铅笔芯除了碳之外还包括黏土，但是在焊接中这并不是个问题，并且排斥焊料的效应会更大。在用铅笔涂画中，例如添加有模板，并且图案是通过该模板而涂画的。同时，要在金属基底13上淀积更多的碳，铅笔芯的硬度最好是2B到6B。在涂画之后，多余的剩余物(碳)(松散在挡料15的表面上)用空气之类除去。
虽然可使用基于数字数据的撒布器来实现图案涂覆，特别是在铅笔涂画的情形中，可用手动来实现涂画。这适用于高混合低产量的生产。同时在该情形中，可满足质量、可靠性、成本以及生产时间缩短。
并且，挡料15具有低焊料润湿性的金属(从而焊料不会扩散)或者是作为主要成分的陶瓷可被热喷涂到金属基底13上以形成阻挡部分。热喷涂是一种方法，通过用加热将涂覆物质熔化或软化，加速以精细微粒形式的物质并导致它与要被涂覆的物体表面相撞击，并设置和聚集具有断裂平面(collapsed flat)的微粒来形成薄膜。热喷涂包括室温热喷涂和等离子热喷涂。低焊料润湿性的金属的示例包括Al(铝)、Mo(铝)、W(钨)、和Cr(铬)。热喷涂要稍稍增加成本，但是可应用到各种实践中，并且厚度可以自由设置，从而可选择出适于产品实践的材料。
并且，使用诸如铬的阻挡材料，就有可能通过电镀形成具有预定图案的阻挡部分。因为用涂覆，所以厚度可保持在0.01mm之下，当期望限制厚度时，可使用该手段。并且预定图案中的Cr电镀可在紧随Ni电镀金属基底13的步骤之后进行。
通过这样在金属基底13上形成阻挡部分，就有可能限制焊料流动，并且当使用由诸如环氧树脂的有机物质制成的焊料阻焊层时，在焊接期间不会出现放气。因此，在焊接的同时，不会减弱可焊性，并且可避免设备污染。
当用于电路板固定的碳夹具以及诸如碳材料的隔板还用于上述的半导体器件10时，就有可能更有效地防止焊料外溢。
图4是示出附着在金属基底上的碳夹具的示意图。
碳夹具是由外部框16a和内部框16b构成的，并固定电路板11、半导体芯片12、金属基底13以及焊料(在此未示出)的位置。同时，隔板17放置在图1中示出的阻挡部分上，并当焊料的量很大时，可有效地防止焊料流动。因为隔板17是放置为靠近焊料接合部分，对于隔板必需选择低焊料润湿性的材料。但是，因为陶瓷较之碳具有高硬度，当隔板17夹在电路板11中时，由于在焊接之后金属基底13的收缩，电路板11可能会断裂，因此隔板17最好是由碳制成的。重码18是用来压制住电路板11的。
通过在图4中示出的构造下、在氢环境中执行热焊接，可实现部件(电路板11、半导体芯片12、以及金属基底13)的接合。通过这种手段，就有可能有效地防止焊料的外溢，并且可达到防止电路板11的相互机械损伤、以及电绝缘的效果。

Claims (18)

1.一种半导体器件，具有接合到电路板一侧上的半导体芯片、以及接合到另一侧的用于散除在所述半导体芯片中产生的热量的金属基底，其中包括排斥焊料的无机物质的挡料通过在预定的图案中涂覆而形成在所述金属基底上，以限制在将多个所述电路板接合到所述金属基底中所用的焊料的流动，
所述挡料将耐焊料热特性高的无机物质作为主要成分。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述挡料是通过将无机物质的微粒与易挥发性的粘接料相混合而制成的。
3.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述无机物质是碳。
4.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述无机物质是陶瓷。
5.一种半导体器件，具有接合到电路板一侧上的半导体芯片、以及接合到另一侧的用于散除在所述半导体芯片中产生的热量的金属基底，其中将碳、陶瓷或具有低焊料润湿性的金属作为主要成分的挡料设置在所述金属基底上，以限制在将多个所述电路板接合到所述金属基底中所用的焊料的流动。
6.一种用于制造半导体器件的半导体器件制造方法，所述半导体器件具有接合到电路板一侧上的半导体芯片、以及接合到另一侧的用于散除在所述半导体芯片中产生的热量的金属基底，其中阻挡部分通过包括排斥焊料的无机物质的挡料在预定的图案中被涂覆而形成在所述金属基底上，以限制在将多个所述电路板接合到所述金属基底中所用的焊料的流动。
7.如权利要求6所述的半导体器件制造方法，其特征在于，用于防止所述焊料外溢并将所述电路板限制在所述金属基底上的预定位置的隔板被放置在所述阻挡部分上。
8.如权利要求6所述的半导体器件制造方法，其特征在于，所述挡料将耐焊料热特性高的无机物质作为主要成分。
9.如权利要求8所述的半导体器件制造方法，其特征在于，所述阻挡部分是通过涂覆将无机物质的微粒与易挥发性的粘接料相混合而制成的挡料，并且使所述粘接料成分干燥而制成的。
10.如权利要求8或9所述的半导体器件制造方法，其特征在于，所述无机物质是碳。
11.如权利要求8或9所述的半导体器件制造方法，其特征在于，所述无机物质是陶瓷。
12.如权利要求6或9所述的半导体器件制造方法，其特征在于，所述阻挡部分是通过使用撒布器将挡料涂覆在预定图案中形成的。
13.如权利要求6所述的半导体器件制造方法，其特征在于，所述预定图案的宽度可依照用于接合的焊料量来改动。
14.一种用于制造半导体器件的半导体器件制造方法，所述半导体器件具有接合到电路板一侧上的半导体芯片、以及接合到另一侧的用于散除在所述半导体芯片中产生的热量的金属基底，其中阻挡部分使用热喷涂而形成在所述金属基底上，以限制在将多个所述电路板接合到所述金属基底中所用的焊料的流动。
15.如权利要求14所述的半导体器件制造方法，其特征在于，所述阻挡部分是使用具有低焊料润湿性的金属所组成的挡料而形成的。
16.如权利要求14所述的半导体器件制造方法，其特征在于，所述阻挡部分是使用陶瓷挡料而形成的。
17.一种用于制造半导体器件的半导体器件制造方法，所述半导体器件具有接合到电路板一侧上的半导体芯片、以及接合到另一侧的用于散除在所述半导体芯片中产生的热量的金属基底，其中阻挡部分通过电镀而形成在所述金属基底上，以限制在将多个所述电路板接合到所述金属基底中所用的焊料的流动，
所述阻挡部分通过将铬用作挡料而形成的。
18.一种用于制造半导体器件的半导体器件制造方法，所述半导体器件具有接合到电路板一侧上的半导体芯片、以及接合到另一侧的用于散除在所述半导体芯片中产生的热量的金属基底，其中用于将多个所述电路板定位在所述金属基底上的碳夹具在所述金属基底上固定为阻挡部分，以限制在将多个所述电路板接合到所述金属基底中所用的焊料的流动。
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