TW202420467A - 通過可壓縮膜施加燒結力的設備 - Google Patents
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Abstract
一種用於同時將電子器件燒結至襯底上並將金屬片燒結至所述電子器件上的燒結設備，包括燒結工具以及能夠定位在所述金屬片和所述電子器件上的可壓縮膜。所述可壓縮膜的厚度大於所述金屬片的高度。當所述燒結工具在燒結技術期間對所述可壓縮膜施加燒結力時，所述可壓縮膜被適配成適應所述金屬片和所述電子器件的形狀，以同時覆蓋所述金屬片和所述電子器件的至少一部分。
Description
本發明涉及電子器件的燒結，例如在製造包括高功率電子器件的燒結封裝體過程中電子器件的燒結。
燒結是一種通過加熱和/或加壓壓實並形成固體材料塊而不將其熔化至液化點的技術。材料中的原子擴散至粒子的邊界，將粒子融合在一起並形成一個固體塊。在燒結材料在高溫應用中取代焊料的大功率電子器件中，燒結通常用於附接半導體管芯。
目前用於堆疊功率結構的燒結系統和解決方案涉及兩步燒結法。在第一步中，將功率半導體管芯燒結至襯底上。在第二步中，將薄金屬片燒結至功率半導體管芯上。金屬片可以呈由銅、銀、金、鎳或其他金屬製成的箔片的形式，或者可以包括合金。金屬片還可以包括電鍍層，例如，電鍍在銅箔上的銀層。這種薄金屬片的一個示例是所謂的管芯頂部接觸系統(ie top system，DTS)。金屬片提供管芯保護，使得能夠以較高的產量進行銅線鍵合，並且該金屬片可以包括預先施加的燒結膏以及黏合劑，以簡化其在半導體管芯上的裝配。
圖1是襯底100的平面圖，其上已安裝多個半導體晶片或管芯102以及金屬片104。襯底100可以是直接鍵合銅(DBC)陶瓷襯底。通常有多個半導體管芯102安裝在單個待燒結DBC襯底100上，並且各個半導體管芯102之間可能存在高度變化。
圖2A是現有技術燒結方法的側視圖，現有技術燒結方法使用不可壓縮膜108將燒結工具110與半導體管芯102分離。不可壓縮膜108用作緩衝墊，以提高壓力均勻性。當對其施加力以使其變形時，這種不可壓縮膜108的體積保持不變。這樣，其材料通常被變形力推到一邊，以建立不可壓縮膜108的體積保持狀態。半導體管芯102已放置在襯底100上的一層燒結膏106上。燒結後，固化的燒結膏106將半導體管芯102黏附至襯底100。
圖2B示出了通過不可壓縮膜108對半導體管芯102施加的燒結力112。當半導體管芯102已鍵合至燒結膏106和襯底100上之後，將燒結工具110和不可壓縮膜108從半導體管芯102移開。
其後，圖2C示出了金屬片104，在燒結工具110和不可壓縮膜108已從半導體管芯102移開之後，該金屬片放置在已鍵合至襯底100的半導體管芯102的頂部。一層燒結膏106存在於金屬片104與半導體管芯102之間，以便將金屬片104鍵合至半導體管芯102。
圖2D示出了此時通過不可壓縮膜108向金屬片104施加燒結力112的燒結工具110。燒結膏106硬化之後，金屬片104將成功地鍵合至半導體管芯102上。
目前依賴於不可壓縮膜108(例如，普通的不可壓縮PTFE(聚四氟乙烯)膜)來傳遞燒結力112的兩步燒結法有幾個缺點。首先，PTFE膜可能污染管芯頂部金屬化，該PTFE膜在第一燒結步驟期間與半導體管芯頂部直接接觸，並且需要專門的清潔技術來清潔或重新啟動半導體管芯頂部金屬化，以燒結金屬片。這將延長裝配時間並增加操作成本及複雜性。
此外，這種不可壓縮膜(例如PTFE膜)的典型厚度為0.05mm。該厚度通常不足以覆蓋半導體管芯102或金屬片104的高度變化，因為厚度為0.05mm的PTFE膜通常只能覆蓋大約0.01mm的高度變化。另一方面，半導體管芯102或金屬片104的實際變化可能多達0.05mm。如果這種高度變化沒有被完全補償，那麼燒結半導體管芯102或金屬片104的鍵合品質將受到不利影響。
當呈彈性體形式的不可壓縮材料(例如矽橡膠)黏附至頂部燒結工具上時，也可以用作壓力墊，以補償產品厚度的任意變化。然而，彈性體本身是固體材料，因此壓力墊內部的壓力分佈本質上是不均勻的。這種不均勻性將有導致產量或損壞問題的風險，因為較低壓力區域傾向於具有低管芯鍵合強度，而高壓力區域具有半導體管芯破裂的高風險。
此外，使用彈性體作為壓力墊，不允許選擇待進行壓力燒結的區域或部件。因為這種選擇是不可能的，所以這一概念很可能會對襯底造成損害，例如，在燒結期間出現裂紋或破損，特別是如果襯底是面板型陶瓷襯底。
有益的是，提供用於金屬片和功率半導體管芯的一步燒結法，該一步燒結法避免了現有燒結方法的上述缺點，例如，無法選擇性地對預定區域施加燒結壓力。
因此，本發明的目的是通過在燒結期間使用可壓縮材料作為力分佈介質來尋求提供一種有效的一步燒結法。
根據本發明的第一態樣，提供了一種用於同時將電子器件燒結至襯底上並將金屬片燒結至所述電子器件上的燒結設備，所述燒結設備包括燒結工具以及能夠定位在所述金屬片和所述電子器件上的可壓縮膜，其中，所述可壓縮膜的厚度大於所述金屬片的高度，並且當所述燒結工具在燒結技術期間對所述可壓縮膜施加燒結力時，所述可壓縮膜被適配成適應所述金屬片和所述電子器件的形狀，以同時覆蓋所述金屬片以及所述電子器件的至少一部分。
根據本發明的第二態樣，提供了一種用於同時將電子器件燒結至襯底上，並將金屬片燒結至所述電子器件上的方法，所述方法包括以下步驟：將所述電子器件放置在所述襯底上，並將所述金屬片放置在所述電子器件上；將可壓縮膜放置在所述金屬片以及所述電子器件上，其中，所述可壓縮膜的厚度大於所述金屬片的高度；然後在燒結技術期間使用燒結工具對所述可壓縮膜施加燒結力，使得所述可壓縮膜符合所述金屬片和所述電子器件的形狀，以用所述可壓縮膜同時覆蓋所述金屬片以及所述電子器件的至少一部分。
根據本發明的第三態樣，提供了一種用於通過同時將電子器件燒結至襯底上並將金屬片燒結至所述電子器件來製造燒結封裝體的方法，所述方法包括以下步驟：將所述電子器件放置在所述襯底上，並將所述金屬片放置在所述電子器件上；將可壓縮膜放置在所述金屬片以及所述電子器件上，其中，所述可壓縮膜的厚度大於所述金屬片的高度；然後在燒結技術期間使用燒結工具對所述可壓縮膜施加燒結力，使得所述可壓縮膜符合所述金屬片和所述電子器件的形狀，以用所述可壓縮膜同時覆蓋所述金屬片以及所述電子器件的至少一部分。
參考示出了本發明的特定較佳實施例的附圖，有助於在下文更詳細地描述本發明。附圖和相關描述的具體性不應被理解為取代由申請專利範圍所限定的本發明的一般識別的普遍性。
為了說明如何通過在燒結設備中燒結而將多個電子器件(例如，半導體管芯18)和金屬片20鍵合至襯底16上，圖3A是根據本發明較佳實施例的在燒結期間用於支撐多個襯底16的載體10的平面圖。當載體10支撐至少一個襯底16以進行燒結時，其被適配成被燒結設備接收。圖示載體10具有多個包括通孔的凹穴12，每個凹穴12被配置成承載一個襯底16。每個凹穴12的周邊包括臺階14，襯底16的邊緣可以擱置並支撐在臺階14上。
圖3B示出了已放置在載體10上的四個襯底16，每個襯底由相應凹穴12中的臺階14支撐。在圖3C中，襯底16上已放置多個半導體管芯18。在該圖示中，每個襯底16被配置成容納四個半導體管芯18。每個半導體管芯18應放置在一層燒結膏24上，為隨後的燒結技術做準備。
圖3D示出了已放置在半導體管芯18上的多個金屬片20，每個半導體管芯18被配置成容納一個金屬片20。當位於半導體管芯18上，每個金屬片20的表面可以具有一層燒結膏24，為燒結技術做準備。最後，圖3E示出了放置在襯底16上的四片可壓縮膜22，在進行燒結技術之前，多片可壓縮膜22適形由載體10分配的空間，以覆蓋金屬片20以及半導體管芯18。
與不可壓縮膜108不同，可壓縮膜22的體積被特別配置成在對其可壓縮材料施加變形力時發生變化。可以在可壓縮膜輸入站處利用取放操作將這四片可壓縮膜22放置在襯底16上，並且當在燒結技術期間對其施加燒結力時，這些可壓縮膜用於將壓縮力傳遞至金屬片20以及半導體管芯18上。
圖4A是根據本發明較佳實施例的包括可壓縮膜22的燒結設備的側視圖。在該側視圖中，可以看到一對半導體管芯18以及一對金屬片20。襯底16已位於載體10的凹穴12中，並且底部燒結工具32將襯底16抬升遠離凹穴12中的臺階14，該底部燒結工具能夠通過凹穴12的通孔插入並突出。底部燒結工具32在燒結期間為襯底16提供牢固的支撐。
半導體管芯18已放置在各位於襯底16上的一層燒結膏24上，而金屬片20又放置在各位於半導體管芯18上的一層燒結膏上。可壓縮膜22剛好放入載體10的凹穴12中，並覆蓋金屬片20的頂面。頂部燒結工具30位於可壓縮膜22上方的備用位置，其垂直位置與半導體管芯18和金屬片20的位置相對應。
圖4B示出了與可壓縮膜22接觸的頂部燒結工具30，但可壓縮膜22還未被壓縮。圖4C示出了可壓縮膜22，該可壓縮膜22被頂部燒結工具30壓縮以生成凹陷可壓縮膜34，當該凹陷可壓縮膜朝向襯底16壓縮時，其開始形成適形表面區域。由於可壓縮膜22的厚度大於金屬片20的高度，因此可壓縮膜22比金屬片20(包括金屬片擱置在其上的一層燒結膏24)厚，可壓縮膜22能夠覆蓋金屬片20的整個暴露區域以及半導體管芯18的一部分，因為它被適配成適應金屬片20和半導體管芯18的形狀。如有可能，可壓縮膜22也可以選擇具有覆蓋半導體管芯18以及金屬片20的整個暴露區域的厚度。
圖4D示出了處於燒結位置的燒結設備，其中可壓縮膜22基本上符合金屬片20和半導體管芯18的形狀。在燒結期間覆蓋金屬片20和半導體管芯18的這種適形可壓縮膜36的底部的形狀與金屬片20的表面、金屬片20與半導體管芯18之間的燒結膏24、以及半導體管芯18的一些頂面和側面的形狀相適應。因此，在燒結技術期間，當頂部燒結工具30對可壓縮膜22施加燒結力時，適形可壓縮膜36能夠同時覆蓋金屬片20和半導體管芯18的至少一部分。
當頂部燒結工具30對適形可壓縮膜36施加燒結力時，適形可壓縮膜36的頂部適形於並覆蓋頂部燒結工具30的底部表面和部分側壁。在這一點上，可以進行燒結以在一步法中將半導體管芯18鍵合至襯底16上，並將金屬片20鍵合至半導體管芯18上。
圖5是根據本發明較佳實施例的模組的示意圖，該模組可以包括在用於進行燒結技術的燒結機40中。燒結機具有產品輸入記憶體42，在該記憶體中，承載襯底16、半導體管芯18以及金屬片的載體10被引入並送入燒結機40中。輸入視覺系統44檢查載體10及其內容物，以確保沒有缺陷。
此後，通過使用輸入軌道46將載體10送至預熱站48。此時，可壓縮膜輸入站52接收一定預定尺寸的可壓縮膜22的供應，然後將可壓縮膜拾取並放置在載體10上，以覆蓋襯底16以及待鍵合至襯底16的器件。然後，裝載機50將載體10送入多個燒結壓機54中的一個中，以進行如上參照圖4A至圖4D詳細描述的燒結技術。
在將呈半導體管芯18的器件和金屬片20通過燒結的方式鍵合至襯底16之後，載體10從燒結壓機54移動至冷卻站56，以進行冷卻和固化，然後通過卸載機58對載體10進行卸載。在冷卻站56遇到生產率瓶頸的情況下，可以部署多於一個的冷卻站56來提高產量。冷卻後，載體10通過輸出軌道60移動至產品輸出儲存站62，在產品輸出儲存站，可以收集燒結產品並丟棄可壓縮膜22。
可壓縮膜22較佳由膨體PTFE或膨脹石墨(其經過加熱和酸處理)製成，以形成高度原纖化的膜，該膜以預定拉伸比膨脹，該拉伸比應該是用於膨脹PTFE的高拉伸比。膨體PTFE膜可以描述為一種多孔結構，其密度明顯低於類似的未膨脹PTFE結構。膨體PTFE膜可以具有0.1g/cm
3至1.9g/cm
3的比重以及25%至96%的孔隙率。小於1μm的小孔徑導致高達90%的孔隙率，而1μm至6μm的大孔徑有助於將孔隙率提高到至少95%。一種較佳的膨體PTFE膜具有0.5g/cm
3至0.9g/cm
3的密度以及50%至90%的壓縮率。膨體PTFE膜可以包括多個獨立的適形膨體PTFE層，可選地在它們之間夾有一個或多個剛性PTFE層。在本發明較佳實施例中使用的可壓縮膜22的厚度可以在0.1mm至3.0mm的範圍內。膨脹石墨膜可以具有0.5g/cm
3至1.5g/cm
3的密度以及15%至70%的壓縮率。
如圖3E所示，儘管可壓縮膜22可以作為單獨的材料片引入，但是它也可以作為連續膜引入，從而簡化廢料處理。可壓縮膜22也可以包括單個可壓縮層、多個層，或者可以由複合材料製成，複合材料包括適於覆蓋金屬片20以及半導體管芯18的可壓縮材料。
應當理解，使用本發明較佳實施例中描述的可壓縮膜22能夠在一步法中成功完成半導體管芯18和金屬片20的燒結。這將有助於節約成本、簡化裝配技術並提高產量。此外，為了提高燒結品質，可以補償半導體管芯18以及金屬片20高度的更大變化。
使用者能夠指定特定區域以選擇性地施加燒結壓力，這在現有技術中是不可能的。可壓縮膜22是一種消耗品，其可以在產品裝入燒結壓機進行壓力燒結之前，在自動化流程中裝載至產品上。使用上述方法生產的電子器件在器件的燒結介面處沒有分層，並且進行的管芯抗剪強度測試表明鍵合強度很高。
雖然，以上已對本發明進行了具體描述，但是，還可以對本發明輕易地做出各種變化、修改和/或添加。應當理解，本發明包括落入上述說明書的精神和範圍內的所有這種變化、修改和/或添加。
100:襯底
102:半導體管芯
104:金屬片
106:燒結膏
108:不可壓縮膜
110:燒結工具
112:燒結力
10:載體
12:凹穴
14:臺階
16:襯底
18:半導體管芯
20:金屬片
22:可壓縮
30:頂部燒結工具
32:底部燒結工具
34:可壓縮膜
36:適形可壓縮膜
40:燒結機
42:輸入記憶體
44:視覺系統
46:輸入軌道
48:預熱站
50:裝載機
52:膜輸入站
54:壓機
56:冷卻站
58:卸載機
60:輸出軌道
62:輸出儲存站
圖1是其上安裝了多個半導體管芯及金屬片的襯底的平面圖；
圖2A是現有技術燒結方法的側視圖，該現有技術燒結方法使用不可壓縮膜將燒結工具與半導體管芯分離；
圖2B示出了通過不可壓縮膜對半導體管芯施加的燒結力；
圖2C示出了放置在半導體管芯頂部的金屬片；
圖2D示出了通過不可壓縮膜對金屬片施加燒結力的燒結工具；
圖3A是載體的平面圖；
圖3B示出了放置在載體上的襯底；
圖3C示出了放置在襯底上的半導體管芯；
圖3D示出了放置在半導體管芯上的多個金屬片；
圖3E示出了放置在襯底上的多片可壓縮膜；
圖4A是根據本發明較佳實施例的包括可壓縮膜的燒結設備的側視圖；
圖4B示出了與可壓縮膜接觸的燒結工具；
圖4C示出了被壓縮以覆蓋金屬片和部分半導體管芯的可壓縮膜；
圖4D示出了處於燒結位置的燒結設備，其中可壓縮膜基本上符合金屬片和半導體管芯的形狀；以及
圖5是根據本發明較佳實施例的模組的示意圖，該模組可以包括在用於進行燒結技術的燒結機中。
30:頂部燒結工具
36:適形可壓縮膜
Claims (16)
- 一種用於同時將電子器件燒結至襯底上並將金屬片燒結至所述電子器件上之燒結設備，所述燒結設備包括： 燒結工具；以及 能夠定位在所述金屬片以及所述電子器件上的可壓縮膜； 其中，所述可壓縮膜的厚度大於所述金屬片的高度，並且當所述燒結工具在燒結技術期間對所述可壓縮膜施加燒結力時，所述可壓縮膜被適配成適應所述金屬片和所述電子器件的形狀，以同時覆蓋所述金屬片以及所述電子器件的至少一部分。
- 如申請專利範圍第1項所述之燒結設備，其中，所述燒結設備被適配成接收在燒結期間至少一個襯底能夠支撐在其上的載體，所述載體被配置成安裝一片可壓縮膜，用於在進行所述燒結技術之前覆蓋所述金屬片以及所述電子器件。
- 如申請專利範圍第2項所述之燒結設備，還包括可壓縮膜輸入站，用於將所述一片可壓縮膜放置在由所述載體支撐的所述金屬片和所述電子器件上。
- 如申請專利範圍第2項所述之燒結設備，其中，所述載體具有多個凹穴，每個凹穴被配置成容納相應的襯底並且具有通孔，底部燒結工具能夠通過所述通孔插入以支撐所述襯底。
- 如申請專利範圍第1項所述之燒結設備，其中，所述可壓縮膜的體積被配置成當對所述可壓縮膜施加所述燒結力時發生變化。
- 如申請專利範圍第1項所述之燒結設備，其中，所述可壓縮膜的厚度足以在所述燒結技術期間進一步覆蓋所述金屬片和所述電子器件的整個暴露區域。
- 如申請專利範圍第1項所述之燒結設備，其中，當所述燒結工具在所述燒結技術期間對所述可壓縮膜施加燒結力時，所述可壓縮膜材料被適配成適形於並覆蓋所述燒結工具的底部表面和部分側壁。
- 如申請專利範圍第1項所述之燒結設備，其中，所述可壓縮膜包括以預定拉伸比膨脹的原纖化膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之燒結設備，其中，所述可壓縮膜包括膨體PTFE。
- 如申請專利範圍第9項所述之燒結設備，其中，所述膨體PTFE具有0.5g/cm3至0.9g/cm3的密度以及50%至90%的壓縮率。
- 如申請專利範圍第10項所述之燒結設備，其中，所述膨體PTFE還具有0.1g/cm3至1.9g/cm3的比重以及25%至96%的孔隙率。
- 如申請專利範圍第1項所述之燒結設備，其中，所述可壓縮膜包括膨脹石墨膜。
- 如申請專利範圍第12項所述之燒結設備，其中，所述膨脹石墨膜具有0.5g/cm3至1.5g/cm3的密度以及15%至70%的壓縮率。
- 如申請專利範圍第1項所述之燒結設備，其中，所述可壓縮膜包括多個獨立的可壓縮膜適形層。
- 一種用於同時將電子器件燒結至襯底上並將金屬片燒結至所述電子器件上的方法，所述方法包括以下步驟： 將所述電子器件放置在所述襯底上，並將所述金屬片放置在所述電子器件上； 將可壓縮膜放置在所述金屬片以及所述電子器件上，其中，所述可壓縮膜的厚度大於所述金屬片的高度； 然後在燒結技術期間使用燒結工具對所述可壓縮膜施加燒結力，使得所述可壓縮膜符合所述金屬片和所述電子器件的形狀，以便用所述可壓縮膜同時覆蓋所述金屬片以及所述電子器件的至少一部分。
- 一種用於通過同時將電子器件燒結至襯底上並將金屬片燒結至電子器件上製造燒結封裝體的方法，所述方法包括以下步驟： 將所述電子器件放置在所述襯底上，並將所述金屬片放置在所述電子器件上； 將可壓縮膜放置在所述金屬片以及所述電子器件上，其中，所述可壓縮膜的厚度大於所述金屬片的高度； 然後在燒結技術期間使用燒結工具對所述可壓縮膜施加燒結力，使得所述可壓縮膜符合所述金屬片和所述電子器件的形狀，以用所述可壓縮膜同時覆蓋所述金屬片以及所述電子器件的至少一部分。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US17/871,496 | 2022-07-22 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| TW202420467A true TW202420467A (zh) | 2024-05-16 |
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