TWI717170B - 半導體裝置及其製作方法 - Google Patents

Abstract

一種半導體裝置，包括絕緣導熱基板、金屬線路層以及散熱元件。金屬線路層包含複數個結合結構。結合結構位於絕緣導熱基板與散熱元件之間，散熱元件藉由焊料接合結構連接於金屬線路層，焊料接合結構包覆結合結構。此外，一種半導體裝置的製作方法亦被提出。

Description

半導體裝置及其製作方法

本案是有關於一種半導體裝置及其製作方法。

目前功率模組朝向高功率、薄型化以及高密度化進行整合與開發，且熱應力與疲勞壽命也需符合一定需求。針對高功率之功率模組而言，可透過並聯最小功率晶體的作法，達到高功率之輸出能力。

習用功率模組係在陶瓷基板之一面接合功率晶體元件，而陶瓷基板之另一面接合金屬散熱元件，且陶瓷基板本身具有很高的散熱係數與大電流負載的能力，故可經由陶瓷基板將功率晶體元件產生之熱傳導至金屬散熱元件，換言之，習用功率模組可透過陶瓷基板作為一熱傳導路徑之媒介，藉此達到散熱之目的。

然而，習用功率模組的陶瓷基板與金屬散熱元件之間的熱膨脹差異很大，陶瓷基板與金屬散熱元件之間黏合的焊接部分易產生裂縫，阻礙熱傳導路徑，如此造成功率晶體元件的熱無法有效被散去。因此，如何改良並能提供一種『半導體裝置及其製作方法』來避免上述所遭遇到的問題，係業界所待解決之課題。

本案提供一種半導體裝置及其製作方法，提升焊料接合結構之連接絕緣導熱基板與散熱元件之間的散熱面積與熱傳導途徑。

本案之一實施例提出一種半導體裝置，包括一絕緣導熱基 板、一金屬線路層以及一散熱元件。金屬線路層包含複數個結合結構。結合結構位於絕緣導熱基板與散熱元件之間。散熱元件藉由一焊料接合結構連接於金屬線路層，焊料接合結構包覆結合結構。

本案之另一實施例提出一種半導體裝置製作方法，包括以下步驟：形成一金屬線路層中的複數個結合結構於一絕緣導熱基板；形成一焊料接合結構於一散熱元件之上，其中焊料接合結構具有複數個凸柱體；對位金屬線路層之結合結構與焊料接合結構之凸柱體，其中各凸柱體對應結合結構的位置之間具有一間隙；以及熱壓絕緣導熱基板與散熱元件，使焊料接合結構包覆該些結合結構，以將散熱元件結合至金屬線路層，其中經熱壓後的該些凸柱體朝向該些間隙變形。

基於上述，在本案的半導體裝置與半導體製作方法中，於熱壓散熱元件與絕緣導熱基板時，藉由金屬線路層之結合結構的幾何形狀，並配合焊料接合結構的幾何形狀作為應力釋放處，經熱壓後之焊料接合結構能包覆至結合結構，以提升焊料接合結構之連接絕緣導熱基板與散熱元件之間的散熱面積與熱傳導途徑。

再者，由於絕緣導熱基板與散熱元件兩者膨脹係數差異大，但本案之焊料接合結構採用燒結銀，其為一高導熱材料，可提升導熱係數，因此，本案在絕緣導熱基板與散熱元件之間採用燒結銀作為一焊料接合結構，此舉可提升焊料接合結構的抗裂性，解決絕緣導熱基板與散熱元件之間由於焊料的導熱係數相對低造成焊料自裂的問題。

為讓本案能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200:半導體裝置

110:絕緣導熱基板

112:表面

120、220、30、40:金屬線路層

50、60A、60B、70A、70B:金屬線路層

122、222、32、42:結合結構

52、62A、62B、72A、72B:結合結構

130:散熱元件

140、240:焊料接合結構

144:凹陷體

144a:主體部

144b、144c:側體部

144d:內凹面

224:底層

242:平面件

244:凸柱體

31A:第一邊緣

31B:第二邊緣

31C:第三邊緣

31D:第四邊緣

A1、A2、A3:角度

B1:底邊

C1、C2、C3、C4:連接邊區域

D1、D2、D3、D4:厚度

D5:蝕刻厚度

F1:區域

GA、G:間隙

GB:第一間隙

GC:第二間隙

H1、H2、H21:厚度

L:長邊方向

P1、P2、P3、P4、P5、P6:邊緣角

S:表面

S100:半導體裝置製作方法

S110~S140:步驟

T1、T2:頂面

T22:底面

W1、W2:寬度

W3:最大寬度

Z1:第一金屬線路層

Z2:第二金屬線路層

Z3:第三金屬線路層

圖1A為本案之半導體裝置一實施例的示意圖。

圖1B為本案之半導體裝置另一實施例的示意圖。

圖2為本案的焊料接合結構與金屬線路層接合前的局部示意圖。

圖3為本案的焊料接合結構與金屬線路層接合後的局部示意圖。

圖4A為本案多個金屬線路層一具體實施例的示意圖。

圖4B為本案之圖4A對結合結構之邊緣角圓角處理一實施例的局部示意圖。

圖4C為本案多個金屬線路層另一具體實施例的局部示意圖。

圖4D為本案多個金屬線路層又一具體實施例的局部示意圖。

圖4E為本案之圖4D對結合結構之邊緣角圓角處理一實施例的局部示意圖。

圖4F為本案多個金屬線路層再一具體實施例的局部示意圖。

圖4G為本案之圖4F對結合結構之邊緣角圓角處理一實施例的局部示意圖。

圖5為本案之半導體裝置製作方法的流程圖。

以下結合附圖和實施例，對本案的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本案的技術方案，而不能以此限制本案的保護範圍。

需說明的是，在各個實施例的說明中，當一元件被描述是在另一元件之「上方/上」或「下方/下」，係指直接地或間接地在該另一元件之上或之下的情況，其可能包含設置於其間的其他元件；所謂的「直接地」係指其間並未設置其他中介元件。「上方/上」或「下方/下」等的描述係以圖式為基準進行說明，但亦包含其他可能的方向轉變。所謂的「第 一」、「第二」、「第三」、及「第四」係用以描述不同的元件，這些元件並不因為此類謂辭而受到限制。為了說明上的便利和明確，圖式中各元件的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，且各元件的尺寸並未完全為其實際的尺寸。

圖1A為本案之半導體裝置一實施例的示意圖。請參閱圖1A，在本實施例中，半導體裝置100包括一絕緣導熱基板110、一金屬線路層120以及一散熱元件130。絕緣導熱基板110為陶瓷基板，可利用氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、氮化矽或碳化矽等材料製作出絕緣導熱基板110。金屬線路層120包含複數個結合結構122，這些結合結構122凸出於絕緣導熱基板110的表面112。在本實施例中，金屬線路層120採用金屬材料所製成，例如可採用銅製作出金屬線路層120，並透過蝕刻方式來形成多個凸柱體的結合結構122。然而，本實施例並未限制結合結構形成之方式。

在本實施例中，散熱元件130藉由一焊料(solder)接合結構140連接於金屬線路層120。散熱元件130例如為一散熱器(heat sink)，其可作為半導體裝置散熱之用。散熱元件130為一金屬材料所製成，金屬材料例如為銅。本實施例之焊料接合結構140的材料為燒結銀(sintering silver)，焊料接合結構140包覆結合結構122(和金屬線路層120的材料相同)，以將散熱元件130結合至金屬線路層120，使得絕緣導熱基板110與散熱元件130連接在一起。換言之，結合結構122嵌入焊料接合結構140的層次裡，焊料接合結構140填充於各個結合結構122之間。

在此配置之下，於熱壓散熱元件130與絕緣導熱基板110時，藉由凸出於絕緣導熱基板110的表面112之結合結構122的幾何形狀，配合焊料接合結構140的幾何形狀作為應力釋放處，經熱壓後之焊料接合結構140能包覆結合結構122，以提升絕緣導熱基板110與散熱元件130之間的散 熱面積與熱傳導途徑。

再者，由於絕緣導熱基板110(陶瓷電路板)與散熱元件130兩者膨脹係數差異大，粘合的焊接部分易產生裂縫，阻礙熱傳導路徑，造成功率晶體元件的熱能無法有效被散去，但本實施例之焊料接合結構140採用燒結銀，其為一高導熱材料，可提升導熱係數。因此，本實施例在絕緣導熱基板110與散熱元件130之間採用燒結銀作為一焊料接合結構140，搭配結合結構122，此舉可提升焊料接合結構140的抗裂性，解決絕緣導熱基板110與散熱元件130之間由於焊料的導熱係數相對低造成焊料自裂的問題，避免焊料產生裂縫而阻礙熱傳導路徑。

在本實施例中，絕緣導熱基板110與散熱元件130包括多個間隙GA，這些間隙GA位於每個焊料接合結構140包覆對應之結合結構122的位置之間，且焊料接合結構140經受壓變形後仍存在這些間隙GA，這些間隙GA能提供焊料接合結構140因受熱變形膨脹的一個變形空間，降低焊料接合結構140因受熱而造成龜裂的情況產生。

此外，在一具體實施例中，半導體裝置100可作為一功率模組，其中絕緣導熱基板110(陶瓷電路板)之一面接合散熱元件130以外，在絕緣導熱基板110(陶瓷電路板)之另一面接合功率晶體元件，作為功率模組，除了功率晶體元件以外，各層厚度分別為：散熱元件130的厚度D1為3mm~5mm、焊料接合結構140的厚度D2為0.15mm~0.25mm、金屬線路層120的厚度D3為0.1mm~0.2mm、絕緣導熱基板110的厚度D4為0.5mm~0.7mm。

在本實施例中，金屬線路層120是被完全蝕刻至絕緣導熱基板110的表面112，即蝕刻厚度為金屬線路層120的厚度D3，形成多個結合結構122凸出於絕緣導熱基板110的表面112，結合結構122的厚度即等於金 屬線路層120的厚度D3。然，本案不對此加以限制。在另一實施例中，請參閱圖1B，圖1B為本案之半導體裝置另一實施例的示意圖。需說明的是，圖1B的半導體裝置200與圖1A的半導體裝置100相似，其中相同的構件以相同的標號表示且具有相同的功能而不再重複說明，以下僅說明差異處。圖1B的半導體裝置200與圖1A的半導體裝置100的差異在於：金屬線路層220並未被完全蝕刻至絕緣導熱基板110的表面112，即蝕刻厚度D5為小於金屬線路層220的厚度D3，形成多個結合結構222以及一底層224，且這些結合結構222分別凸出於底層224，其中蝕刻厚度D5等同於結合結構222的厚度。

圖2為本案的焊料接合結構與金屬線路層接合前的局部示意圖。請參閱圖2，未接合前的焊料接合結構240包括一平面件242與複數個凸柱體244，這些凸柱體244凸出於平面件242之表面S。由此可知，焊料接合結構240並非一平坦表面。在本實施例中，可透過網版印刷方式直接形成凸出於平面件242之表面S的凸柱體244，平面件242係一板狀焊料。在其他實施例中，可先將焊料接合結構240塗佈至如圖1A或圖1B所示之散熱元件130之上，再經由蝕刻製程，使得焊料接合結構240形成具有複數個凸出於平面件242之表面的凸柱體244。

在本實施例中，金屬線路層120中的結合結構122的排列方式與焊料接合結構240中的凸柱體244的排列方式一致，同時凸柱體244的形狀與結合結構122的形狀一致並且互相對齊。舉例而言，這些結合結構122佈設於絕緣導熱基板110的表面112，且結合結構122係呈規則排列的佈設方式，使得各個結合結構122之間形成等間距的第一間隙GB(或可視為結合結構122之間的溝渠)。另一方面，凸柱體244佈設於平面件242之表面S上，且同時這些凸柱體244也依據結合結構122的排列方式來排列，即凸柱體 244也呈規則排列的佈設方式，使得各個凸柱體244之間形成等間距的第二間隙GC(或可視為凸柱體244之間的溝渠)，其中第一間隙GB與第二間隙GC的尺寸例如大約0.5mm。然，本發明不對此加以限制，在其他實施例中，這些結合結構122與其配合的凸柱體244係分別呈不規則排列的佈設方式(凸柱體244的形狀與結合結構122的形狀仍然一致並且互相對齊)，使得結合結構122或凸柱體244之間形成具有多個不等間距或等間距的間隙。此外，結合結構122之截面的形狀可為多邊形體、圓形體或橢圓形體且向外凸出，多邊形體可包含四邊形體、五邊形體、八邊形體等，同理，凸柱體244則依據前述結合結構122而對應設計其形狀。

在本實施例中，於熱壓散熱元件130與絕緣導熱基板110之前，先將金屬線路層120的結合結構122對位於焊料接合結構240的凸柱體244，使得這些凸柱體244的位置對應於這些結合結構122的位置(凸對凸，凹對凹)，每個結合結構122的頂面T1對接到凸柱體244的頂面T2，各個第一間隙GB的位置對應於第二間隙GC的位置，且第一間隙GB與其對應之第二間隙GC形成間隙G，使得每個凸柱體244對應結合結構122的位置之間具有間隙G。

在本實施例中，結合結構122的頂面T1輪廓之寬度為W1，結合結構122的厚度為H1(即等同於圖1A的金屬線路層120的厚度D3)；凸柱體244的頂面T2輪廓之寬度為W2，且凸柱體244的厚度為H2。本實施例之結合結構122與凸柱體244之間的關係，可藉由以下數學公式(1)、(2)表示：

由此可知，在熱壓接合之前，結合結構122的頂面輪廓之寬 度W1大於或等於對應之凸柱體244的頂面輪廓之寬度W2，結合結構122的厚度H1大於或等於對應之凸柱體244的厚度H2。

此外，結合結構122之材質為金屬，金屬製成的結合結構122本身於高溫壓力下不易變形，相較之下，焊料接合結構240採用的材質不同於結合結構122的材質，焊料接合結構240的材質本身為焊料，其呈膠狀，可透過加熱焊料成熔融狀態，呈熔融狀態的焊料可在此受壓而變形，並能透過冷卻使變形後的焊料成為固體狀態而為一定形狀與體積的結構體。由此可知，本案可藉由結合結構122與焊料接合結構240兩者材質不同的特性，金屬製成的結合結構122所需形變的溫度與受壓程度較高，且焊料接合結構240相對於金屬製成的結合結構122較軟，換言之，若處在於特定溫度與受壓條件狀況，本案之凸柱體244(或焊料接合結構240)會先產生形變，金屬製成的結合結構122通常會比較不容易變形。在一實施例中，結合結構122為銅或銅合金，焊料接合結構240為燒結銀。

舉例而言，在熱壓絕緣導熱基板110與散熱元件130的過程中，凸柱體244對準結合結構122，這些凸柱體244經熱壓，經受熱後凸柱體244會膨脹變形，間隙G可提供膨脹變形之凸柱體244的變形空間，使這些凸柱體244能朝向這些間隙G移動，降低因受熱受壓而造成凸柱體244龜裂的情況產生。而經熱壓接合後的焊料接合結構140與金屬線路層120可參閱圖3，圖3為本案的焊料接合結構140與金屬線路層120接合後的局部示意圖。圖2所示的這些凸柱體244因受熱擠壓後，凸柱體244之頂面T2會被結合結構122所擠壓而變形，經變形後的凸柱體244形成如圖3所示具內凹狀之一凹陷體144，即，焊料接合結構140包括平面件242與複數個凹陷體144，其中凹陷體144凸出於平面件242之表面S。凹陷體144區分為一主體部144a、兩側體部144b、144c以及一內凹面144d，其中凹陷體144的底面 T22係被結合結構122的頂面T1所壓擠形成內凹面144d，與此同時，圖2所示的凸柱體244會朝間隙G移動，形成如圖3所示的主體部144a兩側之兩個側體部144b、144c，使得結合結構122嵌入於凹陷體144，且凹陷體144的形狀會與結合結構122的形狀互補。在此實施例中，凹陷體144包覆部分的結合結構122，另一部分的結合結構122露出，並且與空隙GA接觸。

在本實施例中，相較於圖2之結合結構122的厚度H1(測量自頂面T1到表面112的距離)大於或等於對應之凸柱體244的厚度H2(測量自頂面T2到表面S的距離)，此時圖3所示呈現凹陷體144的厚度H21變小，使得結合結構122的厚度H1必大於凹陷體144的厚度H21(測量自底面T22到表面S的距離)，而凹陷體144的底面T22輪廓之寬度W2會等於結合結構122的頂面T1輪廓之寬度W1，凹陷體144的最大寬度W3大於結合結構122之寬度W1，可藉由以下數學公式(3)、(4)、(5)表示：H1>H21 (3)；W1=W2 (4)；W3>W1 (5)。

由此可知，不論如圖2所示的凸柱體244之截面的形狀為何，經受壓變形後的凹陷體144，凹陷體144的底面T22輪廓仍會與結合結構122的頂面T1輪廓相同。例如，結合結構122之截面的形狀為多邊形體且向外凸出，也就是，結合結構122的頂面T1輪廓為多邊形體且向外凸出，凸柱體244的之截面的形狀亦為多邊形體且形狀和結合結構122一致，經受壓變形後的凹陷體144，結合結構122嵌入於凹陷體144，凹陷體144的形狀會與結合結構122的形狀互補，此時凹陷體144的底面T22輪廓也同為多邊形體且向外凸出。在一實施例中，各凹陷體144之間，仍然存在一間隙GA，各凹陷體144彼此不互相接觸。

圖4A為本案多個金屬線路層一具體實施例的示意圖。請參閱圖4A，金屬線路層30包括第一金屬線路層Z1、第二金屬線路層Z2、第三金屬線路層Z3以及複數個結合結構32，第一邊緣31A、第二邊緣31B、第三邊緣31C與第四邊緣31D構成一平面，其中第一邊緣31A與第三邊緣31C為相對側邊，第二邊緣31B與第四邊緣31D為相對側邊，該平面例如可為圖1A、圖3所示的絕緣導熱基板110的表面112；或者，該平面例如圖1B所示的金屬線路層220的底層224與結合結構222，即圖4A的金屬線路層30係應用於圖1A或圖1B所示作為一功率模組的半導體裝置100、200。在一具體實施例中，金屬線路層30係可應用於一逆變器(inverter)，逆變器具有三個功率模組，第一金屬線路層Z1、第二金屬線路層Z2與第三金屬線路層Z3係可分別應用於逆變器中的一半橋結構而可作為功率模組，或金屬線路層30可應用於三相逆變器中的三相位(U、V、W相)。當然，圖4A僅是為了要說明金屬線路層，故省略功率模組其他配置元件。

在本實施例中，第一金屬線路層Z1、第二金屬線路層Z2與第三金屬線路層Z3係沿著長邊方向L排列，並以第二邊緣31B或第四邊緣31D為連接邊(共邊)，其中第一金屬線路層Z1中的第四邊緣31D相鄰於第二金屬線路層Z2中的第二邊緣31B且形成連接邊區域C2、第二金屬線路層Z2中的第四邊緣31D相鄰於第三金屬線路層Z3中的第二邊緣31B且形成連接邊區域C3，而第一金屬線路層Z1中的第二邊緣31B可再與沿著長邊方向L排列之另一金屬線路層(未繪示)相鄰接且形成連接邊區域C1，同理，第三金屬線路層Z3中的第四邊緣31D可再與沿著長邊方向L排列之另一金屬線路層(未繪示)相鄰接且形成連接邊區域C4。

在本實施例中，由於連接邊區域C1、C2、C3、C4(拼接區域)即為在金屬線路層30的應力集中區域，可使位於連接邊區域C1、C2、 C3、C4之內的結合結構32之邊緣角P1的角度A1需等於或大於90度，即邊緣角P1的角度A1為直角或鈍角，藉此釋放或減緩連接邊區域C1、C2、C3、C4之內的應力。以圖4A為例，鄰近第一金屬線路層Z1中的第二邊緣31B與第四邊緣31D分別配置多個結合結構32，其中結合結構32之截面的形狀為五邊形體，且該五邊形之底邊B1鄰近第一金屬線路層Z1中的第二邊緣31B或第四邊緣31D，結合結構32之邊緣角P1的角度A1等於90度。另外，第一金屬線路層Z1中的區域F1內亦可配置結合結構32，但本實施例並未限制區域F1之內的結合結構32的排列與形狀，故並未在區域F1之內繪出結合結構32的排列與形狀且區域F1以虛線表示。同理，鄰近第二金屬線路層Z2與第三金屬線路層Z3中的第二邊緣31B與第四邊緣31D分別配置多個結合結構32，且結合結構32之邊緣角P1的角度A1等於90度。

需說明的是，本實施例係以結合結構32作為說明，而可例如圖2，焊料接合結構240中的凸柱體244的排列方式係可依據圖4A的結合結構32的排列方式進行排列，同時凸柱體244的形狀與圖4A的結合結構32的形狀一致。

另外，為了降低應力集中於結合結構32(或相對應的焊料接合結構240中的凸柱體244)之邊緣角P1的尖角處(尖角處應力過高)，如圖4A所示的結合結構32之邊緣角P1，故可使連接邊區域C1、C2、C3、C4內結合結構32(或對圖2之結合結構122進行導圓角)之邊緣角P1圓角處理。舉例而言，在一實施例中，如圖4B所示，圖4B為本案之圖4A對結合結構之邊緣角進行圓角處理一實施例的局部示意圖。需說明的是，圖4B的金屬線路層40與圖4A的金屬線路層30相似，其中相同的構件以相同的標號表示且具有相同的功能而不再重複說明，以下僅說明差異處。圖4B的金屬線路層40與圖4A的金屬線路層30的差異在於：結合結構42之邊緣角P2係已被導圓 角(如兩相鄰邊之交接處之間形成一圓弧線)，以消除尖角處(如兩相鄰邊之交接處)，使得邊緣角P2呈現圓弧狀，形成一圓弧角。金屬線路層40的連接邊區域C2、C3中，各該結合結構42包含2個圓弧角P2與3個邊角(五邊形的原始邊角)，該些圓弧角P2靠近該連接邊區域C2、C3之第二邊緣31B與第四邊緣31D。

然而，本案不對如圖4A與圖4B的結合結構32、42之截面的形狀加以限制。在其他實施例中，如圖4C至圖4G所示，需說明的是，圖4C至圖4G的金屬線路層50、60A、60B、70A、70B與圖4A的金屬線路層30相似，並且描述連接邊區域C2的截面的形狀，其中相同的構件以相同的標號表示且具有相同的功能而不再重複說明，以下僅說明差異處。以圖4C為例，金屬線路層50與圖4A的金屬線路層30的差異在於：結合結構52之截面的形狀為橢圓形體，該橢圓形體中之邊緣並未有尖角處，換言之，此橢圓形體的構型亦可同時降低連接邊區域C2的應力。

以圖4D為例，金屬線路層60A與圖4A的金屬線路層30的差異在於：結合結構62A之截面的形狀為四邊形體(如長方形、或矩形)，位於連接邊區域C2之內的結合結構62A之邊緣角P3的角度A2為直角，可降低連接邊區域C2的應力。

另一實施例如圖4E，可以進一步降低應力集中於如圖4D所示結合結構62A之邊緣角P3的尖角處，可對如圖4D所示結合結構62A之邊緣角P3的尖角處進行圓角處理。圖4E的金屬線路層60B與圖4D的金屬線路層60A的差異在於：結合結構62B之邊緣角P4係已被導圓角，使得邊緣角P4呈現圓弧狀，形成一圓弧角，亦能進一步降低應力值。各該結合結構62B包含2個圓弧角P4與2個邊角(長方形的原始邊角為直角)，該些圓弧角P4靠近該連接邊區域C2之第二邊緣31B與第四邊緣31D。

另一實施例以圖4F為例，金屬線路層70A與圖4A的金屬線路層30的差異在於：結合結構72A之截面的形狀為八邊形體，位於連接邊區域C2之內的結合結構72A之邊緣角P5的角度A3為鈍角，可降低拼接區域的應力。

另一實施例如圖4G，可以進一步降低應力集中於如圖4F所示結合結構72A之邊緣角P5的尖角處，可對如圖4F所示結合結構72A之邊緣角P5的尖角處進行圓角處理。圖4G的金屬線路層70B與圖4E的金屬線路層70A的差異在於：結合結構72B之邊緣角P6係已被導圓角形成一圓弧角，詳言之，在各個結合結構72B中，針對最接近第二邊緣31B或第四邊緣31D的2個鈍角進行導圓角，其他6個鈍角維持原狀。各該結合結構72B包含2個圓弧角P6與6個邊角(八邊形的原始邊角為鈍角)，該些圓弧角P6靠近該連接邊區域C2之第二邊緣31B與第四邊緣31D。

在一實施例中，下方表一的案例一與案例二可套用至圖1A的半導體裝置100。案例一與案例二的差異在於：案例一採用如圖4A的金屬線路層30與對應金屬線路層30形狀之焊料接合結構，且金屬線路層30中位於連接邊區域C1、C2、C3、C4內的結合結構32之邊緣角P1尚未圓角處理，案例二採用圖4B的金屬線路層40與對應金屬線路層40形狀之焊料接合結構，且金屬線路層40中位於連接邊區域C1、C2、C3、C4內的結合結構42之邊緣角P2已圓角處理，即如表一所示具有案例一與案例二。由表一可知，採用本案之焊料接合結構140與結合結構122，不論是案例一或案例二，絕緣導熱基板110之應力均可小於降伏強度(345Mpa)，故可避免絕緣導熱基板應力過大的問題。另外，相對於案例一(如圖4A)，案例二(如圖4B)藉由對金屬線路層40的結合結構42之邊緣角進行圓角處理，以消除尖角處而可避免應力集中於尖角處，焊料接合結構之最大應變更能小於0.016，藉 此提升半導體裝置之循環壽命(操作次數達大於2500次循環)。

圖5為本案之半導體裝置製作方法的流程圖。請參閱圖5，本實施例之半導體裝置製作方法S100可用於如圖1A之半導體裝置100或圖1B所示之半導體裝置200，半導體裝置製作方法S100包括以下步驟S110至步驟S140。首先，進行步驟S110，形成一金屬線路層120中複數個結合結構122於一絕緣導熱基板110。詳細而言，形成金屬線路層120中複數個結合結構122於絕緣導熱基板110的步驟中，包括以下步驟：提供一絕緣導熱基板110，其中採用氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、氮化矽、或碳化矽來製作該絕緣導熱基板。接著，製作金屬線路層120於絕緣導熱基板110之一表面112(例如採用化學沉積或物理濺鍍製程)。接著，蝕刻金屬線路層120，形成結合結構122。

在本實施例中，透過蝕刻金屬線路層120，使這些結合結構122之截面的形狀為多邊形體、圓形體、矩形、長方體、七邊體、八邊體或橢圓形體。例如，蝕刻金屬線路層120至絕緣導熱基板110之表面112，蝕刻至表面112，使結合結構122凸出於絕緣導熱基板110之表面112(如圖1A)。又例如，如圖1B所示，金屬線路層220並未被完全蝕刻至絕緣導熱基板110的表面112，蝕刻金屬線路層220一蝕刻厚度D5，其中蝕刻厚度D5小於金屬線路層220的厚度D3，使金屬線路層220形成一底層224以及結合結 構222，且結合結構222凸出於底層224。

在一實施例中，在步驟S110之後，步驟S120之前，對連接邊區域C1、C2、C3、C4之該些結合結構的至少一邊緣角(圖4A之結合結構32之邊緣角P1、圖4D之結合結構62A之邊緣角P3、圖4F之結合結構72A之邊緣角P5)作一圓角處理，使該至少一邊緣角形成一圓弧角(圖4B之結合結構42之邊緣角P2、圖4E之結合結構62B之邊緣角P4、圖4G之結合結構72B之邊緣角P6)。如圖4A與圖4B所示之具體實施例，連接邊區域C1、C2、C3、C4中的結合結構32之邊緣角P1的角度A1等於90度(參酌圖4A)，接著，再對前述結合結構32之邊緣角P1進行圓角處理(參酌圖4B)。

在一實施例中，對結合結構32之邊緣角P1作一圓角處理，圓角處理可透過在結合結構32之邊緣角P1處進行刮除，修飾邊緣角P1之尖角處(如兩相鄰邊之交接處)，以形成圓弧角(如兩相鄰邊之交接處之間形成一圓弧線，例如：邊緣角P2)；或者，在一實施例中，直接在網版模具上的形狀設計邊角處具有圓弧角(邊緣角P2)；或者，在一實施例中，藉由蝕刻製程來直接使得結合結構32的邊緣角P1被圓角化(邊緣角P2)，而讓經蝕刻製程後的結合結構42的邊緣角P2處具有圓弧角。在一實施例中，結合結構42的邊緣角P2由電鍍製程來製作。

同理，如圖4D與圖4E，結合結構62A之邊緣角P3為直角，可對圖4D所示結合結構62A之邊緣角P3進行圓角處理，使得圖4E所示結合結構62B之邊緣角P4形成圓弧角。同理，在其他實施例中，考慮如圖4F與圖4G所示之具體實施例，連接邊區域C2中的結合結構72A之邊緣角P5的角度A3大於90度(參酌圖4F)，接著再對前述結合結構72A之邊緣角P5的角度A3進行圓角處理，如圖4G所示，使結合結構72B之邊緣角P6形成一圓弧角。

步驟S110之後，接著進行步驟S120(參酌圖2、圖5)，利用網 版印刷或塗佈後蝕刻方式，形成一焊料接合結構240於一散熱元件130之上，其中焊料接合結構240具有複數個凸柱體244。步驟S120中包括以下步驟，採用一燒結銀為焊料接合結構240，燒結銀為一高導熱材料，可提升導熱係數。此外，步驟S120中，另包括以下步驟：使凸柱體244的排列方式對應於結合結構122的排列方式且形狀一致，使得每個凸柱體244的位置都能對應至結合結構122的位置。

詳細而言(參酌圖2)，焊料接合結構240具有複數個凸柱體244，形成複數個凸柱體244的步驟例如為：利用網版印刷使焊料接合結構240形成這些凸柱體244。具體包括以下步驟：利用網版之形狀，使焊料接合結構240形成一平面件242與多個凸柱體244，凸柱體244凸出於平面件242之表面S，其中利用網版之形狀可使結合結構之截面的形狀為多邊形體、圓形體、矩形、長方形體(參酌圖4D)、五邊形體(參酌圖4A)、七邊形體、八邊形體(參酌圖4F)或橢圓形體(參酌圖4C)。然，本案不對形成凸柱體244的方式加以限制，在另一實施例中，首先，塗佈一焊料接合結構240於一散熱元件130之上。接著，蝕刻焊料接合結構240，形成複數個凸柱體244於平面件242之上。特別地，焊料接合結構240之凸柱體244的形狀，與結合結構122的形狀一致。

在另一實施例中，使凸柱體244的排列方式對應於結合結構122的排列方式一致，使得每個凸柱體244的位置都能對應至結合結構122的位置，而每個凸柱體244近似結合結構122的形狀，差異在於：連接邊區域C1、C2、C3、C4中，結合結構122具有圓弧角，而凸柱體244無導圓角。因此，本實施例在連接邊區域C1、C2、C3、C4中與結合結構32對應之凸柱體244的至少一邊緣角可不需進行導圓角，詳言之，在某些實施例中，凸柱體244的至少一邊緣角非圓弧角，而對應的結合結構32的至少一邊緣角 具有圓弧角，例如：凸柱體244具有圖4A的五邊形體及其排列，結合結構32採取圖4B的結合結構42之邊緣角P2。

在其他實施例中，凸柱體244的排列方式對應於結合結構122的排列方式且形狀一致，凸柱體244具有圓弧角，在連接邊區域C1、C2、C3、C4中與結合結構32對應之凸柱體244的至少一邊緣角同樣作一圓角處理，圓角處理可透過在凸柱體244之邊緣角處進行刮除，修飾邊緣角之尖角處(如兩相鄰邊之交接處)，以形成圓弧角(如兩相鄰邊之交接處之間形成一圓弧線)；或者，在一實施例中，直接在網版模具上的形狀設計邊角處具有圓弧角；或者，在一實施例中，藉由蝕刻製程來直接使得凸柱體244的邊緣角已被圓角化，而讓經蝕刻製程後的凸柱體244的邊緣角處具有圓弧角。

上述步驟S120之後，進行步驟S130，參考圖2，對位金屬線路層120之多個結合結構122與焊料接合結構240(散熱元件130上)之多個凸柱體244，其中各凸柱體244對應結合結構122的位置之間具有一間隙G。在一實施例中，結合結構122與焊料接合結構240兩者有相同圖案使得兩者能互相對準，凸出處對準凸出處，凹入處對準凹入處。

上述步驟S130之後，進行步驟S140(參酌圖3、圖5)，熱壓絕緣導熱基板110與散熱元件130，使焊料接合結構140包覆於金屬線路層120中的結合結構122，將散熱元件130結合至金屬線路層120。

在本實施例中(參酌圖2、圖3)，金屬製成的結合結構122本身於高溫壓力下不易變形，但凸柱體244本身為焊料，其呈膠狀而處在一定溫度及受壓下會變形，由此可知，本案可藉由結合結構122與凸柱體244兩者材質不同的特性，使得金屬製成的結合結構122所需形變的溫度與受壓程度較高，且凸柱體244相對於金屬製成的結合結構122較軟，換言之，若處在於特定溫度與受壓條件狀況，本案之凸柱體244會先產生形變，金屬製成 的結合結構122通常會比較不容易變形。凸柱體244因受熱擠壓後，凸柱體244之頂面T2會被結合結構122所擠壓而變形為底面T22(參酌圖3)，經變形後的凸柱體244形成圖3之具內凹狀之一凹陷體144，使得結合結構122嵌入於凹陷體144，凹陷體144的形狀會與結合結構122的形狀互補。再者，前述過程中，圖2之間隙G可提供膨脹變形之凸柱體244的變形空間，使這些凸柱體244能朝向這些間隙G移動，間隙G轉變為間隙GA，降低因受熱受壓而造成凸柱體244龜裂的情況產生，提升焊料接合結構140與金屬線路層120的連結面積，及提升焊料接合結構140之連接絕緣導熱基板110與散熱元件130之間的散熱面積與熱傳導途徑。

此外，參酌圖3，在降溫固化後，此製程與結構能防止焊料接合結構140龜裂而阻礙熱傳導路徑。並且，這些間隙GA亦能提供凹陷體144因受熱變形膨脹的一個變形空間，降低焊料接合結構140因受熱而造成龜裂的情況產生。

綜上所述，在本案的半導體裝置與半導體製作方法中，於熱壓散熱元件與絕緣導熱基板時，藉由金屬線路層之結合結構的幾何形狀，並配合焊料接合結構的幾何形狀作為應力釋放處，經熱壓後之焊料接合結構能包覆至結合結構，以提升焊料接合結構之連接絕緣導熱基板與散熱元件之間的散熱面積與熱傳導途徑。

再者，由於絕緣導熱基板與散熱元件兩者膨脹係數差異大，但本案之焊料接合結構採用燒結銀，其為一高導熱材料，可提升導熱係數，因此，本案在絕緣導熱基板與散熱元件之間採用燒結銀作為一焊料接合結構，此舉可提升焊料接合結構的抗裂性，解決絕緣導熱基板與散熱元件之間由於焊料的導熱係數相對低造成焊料自裂的問題。

此外，本案透過設計焊料接合結構的幾何形狀與其對位的金 屬製成的結合結構的幾何形狀，使得焊料接合結構於熱壓過程中，多餘的焊料接合結構可以填補至這些間隙，而不會浪費焊料接合結構或使焊料接合結構溢出，藉此提升焊料接合結構之焊接部分的抗裂性，提升電路板與散熱元件之間的連結面積，有效提升電路板至散熱元件的散熱面積與熱傳導途徑，有助於對功率晶體元件等半導體元件的散熱。

再者，本案絕緣導熱基板之應力可小於降伏強度(345Mpa)，而焊料接合結構之最大應變可達0.016，藉此提升半導體裝置之循環壽命(操作次數達大於2500次循環)。

另外，本案對邊緣角進行圓角處理，形成圓弧角，藉此以消除尖角處(如兩相鄰邊之交接處)，可以降低焊料接合結構之邊緣之應變，也無需考慮焊料接合結構之對稱問題，而不會造成應力鬆弛不平衡之問題。

雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:半導體裝置

110:絕緣導熱基板

120:金屬線路層

122:結合結構

130:散熱元件

140:焊料接合結構

D1、D2、D3、D4:厚度

GA:間隙

Claims (21)

1. 一種半導體裝置，包括：一絕緣導熱基板；一金屬線路層，包含複數個結合結構；以及一散熱元件，其中該些結合結構位於該絕緣導熱基板與該散熱元件之間，該散熱元件藉由一焊料接合結構連接於該金屬線路層，該焊料接合結構包覆該些結合結構，其中該金屬線路層的數量為多個，各該金屬線路層之間的一連接邊區域中，該些結合結構的至少一邊緣角係圓弧角。
2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中各該焊料接合結構包覆該些結合結構的位置之間具有一間隙。
3. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中該焊料接合結構的材料為一燒結銀。
4. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中該複數個結合結構凸出於該絕緣導熱基板之一表面。
5. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中該金屬線路層更包括一底層，該底層設置於該些結合結構與該絕緣導熱基板之一表面之間，且該些結合結構凸出於該底層。
6. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中該焊料接合結構包括一平面件與複數個凹陷體，該些凹陷體凸出於該平面件之一表面，且該些結合結構嵌入於該些凹陷體之內。
7. 如申請專利範圍第6項所述的半導體裝置，其中該結合結構的頂面輪廓之寬度等於對應之該凹陷體的底面輪廓之寬度。
8. 如申請專利範圍第6項所述的半導體裝置，其中該結合結構的厚度大於對應之該凹陷體的厚度。
9. 如申請專利範圍第6項所述的半導體裝置，其中該凹陷體的最大寬度大於該結合結構之寬度。
10. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中各該結合結構之截面的形狀為一多邊形體、一圓形體或一橢圓形體。
11. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中該絕緣導熱基板為一陶瓷基板。
12. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中該陶瓷基板的材質為氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、氮化矽或碳化矽。
13. 如申請專利範圍第1項所述的半導體裝置，其中該金屬線路層之間的該連接邊區域中，各該結合結構包含圓弧角與邊角，該圓弧角靠近該連接邊區域之一邊緣。
14. 一種半導體裝置製作方法，包括以下步驟：形成一金屬線路層中的複數個結合結構於一絕緣導熱基板，其中各該結合結構凸出於該絕緣導熱基板，其中該金屬線路層的數量為多個，包括以下步驟：對各該金屬線路層之間的一連接邊區域之該些結合結構的至少一邊緣角作一圓角處理，使該至少一邊緣角形成一圓弧角；形成一焊料接合結構於一散熱元件之上，其中該焊料接合結構具有複數個凸柱體；對位該金屬線路層之該些結合結構與該焊料接合結構之該些凸柱體，其中各該凸柱體對應該結合結構的位置之間具有一間隙；以及熱壓該絕緣導熱基板與該散熱元件，使該焊料接合結構包覆該些結合結構，以將該散熱元件結合至該金屬線路層，其中經熱壓後的該些凸柱體朝向該些間隙變形。
15. 如申請專利範圍第14項所述的半導體裝置製作方法，其中所述形成該焊料接合結構於該散熱元件之上的步驟中，包括以下步驟：形成該些凸柱體，使該些凸柱體的排列方式相同於該些結合結構的排列方式。
16. 如申請專利範圍第14項所述的半導體裝置製作方法，其中所述形成該焊料接合結構於該散熱元件之上的步驟中，包括以下步驟：利用網版之形狀，使該焊料接合結構形成一平面件與該些凸柱體，其中該些凸柱體凸出於該平面件之表面。
17. 如申請專利範圍第14項所述的半導體裝置製作方法，其中所述形成該焊料接合結構於該散熱元件之上的步驟中，包括以下步驟：塗佈該焊料接合結構於該散熱元件之上；以及蝕刻該焊料接合結構，形成該些凸柱體。
18. 如申請專利範圍第17項所述的半導體裝置製作方法，其中所述形成該焊料接合結構於該散熱元件之上步驟，包括以下步驟：對該些凸柱體的至少一邊緣角作一圓角處理，使該至少一邊緣角形成一圓弧角。
19. 如申請專利範圍第14項所述的半導體裝置製作方法，其中所述形成該金屬線路層中的該複數個結合結構於該絕緣導熱基板的步驟中，包括以下步驟：提供一絕緣導熱基板；製作該金屬線路層於該絕緣導熱基板之一表面；以及蝕刻該金屬線路層，形成該些結合結構。
20. 如申請專利範圍第19項所述的半導體裝置製作方法，其中所述蝕刻該金屬線路層的步驟中，包括以下步驟： 蝕刻該金屬線路層至該絕緣導熱基板之該表面，使該些結合結構凸出於該絕緣導熱基板之該表面。
21. 如申請專利範圍第19項所述的半導體裝置製作方法，其中所述蝕刻該金屬線路層的步驟中，包括以下步驟：蝕刻該金屬線路層一蝕刻厚度，使該金屬線路層形成該些結合結構與一底層，該些結合結構凸出於該底層，其中該蝕刻厚度小於該金屬線路層的一厚度。

Images