专利名称：带低温压力烧结连接的两个连接配对件系统及其制造方法
技术领域：
本发明介绍了一种借助低温压力烧结连接的两个连接配对件的系统以及这样的系统的制造方法。
背景技术：
这样的系统例如已经在功率电子电路领域充分公知。在那里，例如功率半导体构件材料配合地与衬底相连接，并且被布置在功率半导体模块中。例如DE 10 2005 058 794 Al描述了一种用于构造这种连接的周期性方法的系统，其中，用于周期性运行的挤压系统具有挤压冲头和可加热的挤压台，并且其中，在压力下稳定的传送带以直接在挤压台的上方运行的方式来布置。此外，在带有布置于其上的构件的衬底与所述挤压冲头之间设置有保护箔片。但根据现有技术，例如在DE 34 14 065 C2中公开的那样，为此必需的是，连接配对件的接触面分别具有贵金属表面，优选为银表面。这一点这样是有缺陷的，因为大量连接配对件由非贵金属或者其他非金属的材料构成。在此情况下，必须根据现有技术为所述材料设有贵金属层，以便可以借助低温压力烧结来实现材料配合的连接。
发明内容
本发明基于如下任务，S卩，提出一种具有两个连接配对件的材料配合的连接的系统，以及所属的制造方法，其中，两个连接配对件中的至少一个具有要进行连接的接触面， 该接触面由非贵金属构成，并且其中，所述材料配合的连接是低温压力烧结连接。所述任务依据本发明通过具有权利要求1所述特征的系统以及通过依据权利要求5所述的方法得以解决。优选的实施方式在各从属权利要求中加以介绍。所述依据本发明的系统具有两个连接配对件，所述连接配对件借助低温压力烧结连接而彼此材料配合地相连接。为此，两个连接配对件的每个分别具有作为表面区段一部分的接触面。所述两个连接配对件的相应接触面借助含贵金属的连接剂而材料配合地相互连接。所述连接剂具有如下质量份额的贵金属，该质量份额为最高至100%。在此，数值优选在80 %与99 %的质量百分数之间。为此，各连接配对件的接触面形成表面区段的一部分。在两个连接配对件的至少一个中，所述表面区段由非贵金属构成，其表面在与连接剂相邻接的接触面的区域内是金属的，并且其在旁侧与所述接触面相邻接的表面区域具有金属氧化物。优选的是，所述非贵金属是铝、铜或铜合金。为了制造这种依据本发明的系统，要使用如下的方法，其特征在于以下依次进行的步骤·准备具有由非贵金属构成的表面区段的第一连接配对件，该表面区段具有位于其上的平面式的金属氧化物层。
·将还原剂涂覆到所述表面区段的设置为第一连接配对件的第一接触面的区域上。在此情况下，还原剂具有优点地以液相或者固相来涂覆。在此情况下，优选的是，所述还原剂自身具有某一沸点或者升华点，所述沸点或升华点不高于并且最多低于如下的温度 20K，所述温度是在用于构造低温压力烧结连接的制造方案的其他流程中对所述系统施以的那个温度。原则上，为此适用许多有机酸或者无机酸。·将由烧结膏构成的层涂覆到还原剂上。在此情况下，优选的是，所述接触面未完全被还原剂覆盖。用于构造低温压力烧结连接的烧结膏优选由贵金属絮状物与溶剂的混合物构成。·将第二连接配对件的第二接触面布置在由烧结膏构成的层上。·对所述系统加温和加压，用以构造材料配合的低温压力烧结连接。在此情况下， 优选的是，首先进行加温，并且在至少部分地给连接配对件加热后，才进行加压。在依据本发明的方法中，所述金属氧化物层通过还原剂而还原成金属，而酸本身被氧化并且在适合的温度作用下同时沸腾或升华，并且因此在后来加压的情况下，在烧结膏的贵金属絮状物与非贵金属表面之间构成金属间化合物。当还原剂附加地还被涂覆在烧结膏上时，则对于制造根据本发明的系统起相同作用地不言而喻还有第二连接配对件由非贵金属构成。在这种情况下，第二连接配对件的接触面的金属氧化物层被还原成金属。依据本发明的系统或者依据本发明的方法的主要优点是，由非贵金属构成的连接配对件不必以花费高昂的工艺在接触面的区域内设有贵金属表面。在由非贵金属材料构成的连接配对件中，足够的是，设置有由合适的非贵金属例如铜构成的表面，由此，不仅能够节约成本，还可以获得更简单的工艺流程。
借助图1和2的实施例进一步阐述依据本发明的解决方案。图1示出依据本发明的制造方法的不同步骤，并且在图Ie中示出依据本发明的第一系统。图2示出依据本发明的第二系统。
具体实施例方式图1示出依据本发明的制造方法的各步骤，并且图Ie中示出依据本发明的第一系统，该第一系统由衬底10和功率半导体构件50构成。图Ia示出如在功率电子领域中使用的典型衬底10的概要图。所述衬底10由绝缘材料体12构成，优选由例如氮化铝的工业陶瓷构成，并且在所述绝缘材料体12的至少一个主面上设有大量金属导体带14。这些金属导体带14优选地由非贵金属构成，例如由铜构成，并且相互之间电绝缘，以便在衬底10上构成电路结构。通常地，导体带14的表面具有铜氧化层20，铜氧化层20主要通过铜与空气中的氧发生氧化过程来形成。非贵金属的这样的含氧化物的表面通常对于低温压力烧结连接是行不通的，这是因为在此情况下，烧结金属与连接配对件所必需的连接未以所需要的质量构造。导体带14的各背离绝缘材料体12的侧构成第一连接配对件-衬底10的表面区段
418，该表面区段18又构成第一接触区段16以作为用于与相应第二连接配对件相连接的表面区段18，在这里第二连接配对件是指功率半导体构件50。图Ib示出在第一方法步骤后的衬底10，也就是在将还原剂30涂覆到衬底10的表面区段18的第一接触面16上之后。所述还原剂30在其他方法流程中用于对接触面16上的金属氧化物20加以还原。在此情况下，优选的是，涂覆如下的还原剂30，还原剂30的还原效果未直接使用，这句话应该被理解为，还原效果不在平常情况下起效，而是在以足够的程度升高温度的情况下才起效，优选的是，温度升高到至少ioo°c。这样的还原剂30能够以液相、但优选以固相涂覆到第一接触区段16上。在此情况下，设计的是无机酸或者有机酸，其中，特别有优点的是，还原剂是饱和脂肪酸，如硬脂酸， 或者为不饱和脂肪酸。在选定还原剂时，同样具有优点地可以是，还原剂具有如下的沸点或升华点，所述沸点或升华点不高于如下的温度，并且处于直至该温度之下20K，在进一步的方法流程中，为了构成低温压力烧结连接而对所述系统施以所述温度。在进一步的方法流程中，根据图lc，烧结膏40放置在还原剂30上。在此情况下， 优选的是，烧结膏40完全地或者几乎完全地覆盖住还原剂40。根据现有技术，使用由贵金属絮状物(优选为银絮状物)与溶剂构成的混合物作为烧结膏40，用以形成膏状特性。所述烧结膏40可以通过公知的方式，例如借助丝网印刷或模板印刷，或者借助喷雾法来涂覆在呈固相存在的还原剂30上。在呈液相存在的还原剂30上，能利用公知的抓取-放置法 (Pick-and-Place-Verfahren)来施加由烧结膏构成的预先烘干的小片。图Id示出在下面一个方法步骤中布置到烧结膏40上的功率半导体构件50。该功率半导体构件50具有朝向衬底10的主面，该主面同时构成第二连接配对件的第二表面区段58。作为所述表面区段58的部分，所述功率半导体构件50具有金属化部52来作为第二接触面56，其中，所述金属化部52由至半导体材料的多层接触部形成，多层接触部具有银层作为最后的、最外部的层。在背离衬底10的侧上，所述功率半导体构件50还具有电接触面M，用于适于电路的连接。低温压力烧结连接的构成被安排作为下一个方法步骤，S卩，加压和加温，其中，在这里加压由未示出的压力元件和同样未示出的对应压力元件通过功率半导体构件50或通过衬底10而作用到烧结膏40上。所述特别对于烧结膏40的加温可以例如通过对加压力元件和对应压力元件加热来进行。在特别优选的加压和加温的实施方式中，首先通过压力元件和对应压力元件的热接触来进行加温，而不开始实施在低温压力烧结连接的范围内公知的压力。在此情况下，一方面开始进行或明显加速进行对金属氧化物20的还原，并且另一方面将烧结膏40的溶剂排出。由此，在加压的范围内，还原接触面16的金属氧化物20并且构成如下的金属表面， 金属表面由此对于低温压力烧结连接是以出色的质量行得通的。只有在以提及的效果加温后才进行加压，用以在衬底10与功率半导体构件50之间最终构成低温压力烧结连接。图Ie示出如下的系统，其中，在这里示出的是尚存的金属氧化物240在旁侧与接触面16相邻接，以及布置于接触面16上的烧结金属42作为导体带 14的表面18上的连接剂。由此，借助所述方法可以将第一连接配对件与由非贵金属构成的表面相连接，在这里是将衬底与铜导体带相连接，可以借助低温压力烧结连接与具有贵金属表面的第二连接配对件持久地保持地而且出色地导电地相连接。不言而喻，所述方法以类似的方法也同样地用在具有由非贵金属构成的表面的两个连接配对件上。此外，图2示出衬底10的依据本发明的第二系统，类似于在图1中所介绍地，具有由铝构成的冷却构件60和用来连接该冷却构件60的烧结金属42。与图Ia的相应系统相对照地，所述衬底10在其第二主面上具有另一金属层16，所述金属层16与第一主面上相应的金属层相同地构成，但其中，所述金属层不具有导体带结构。所述冷却构件60是散热体，例如所述散热体作为挤型散热体 (Strang-Press- Kuhlkorper )各样性地用于电子技术中，尤其是也用于功率电子器件中。 在这样的散热体60中，所述表面68公知地具有由铝氧化物构成的、通过空气中的氧气生成的层。所述层通过使用依据本发明的方法在制造与衬底的低温压力烧结连接时，被还原成铝，从而在金属铝的散热体60的接触面66的区域内，能够与烧结金属42进行连接。衬底 10的铜层16与烧结金属42之间的连接以与图1所述基本相同的方式形成，但其中，在这里所述接触面包括铜层的整个主面。
权利要求
1.具有第一连接配对件(10)和第二连接配对件(50)的系统，所述第一连接配对件 (10)和所述第二连接配对件(50)借助低温压力烧结连接彼此材料配合地相连接，其中，所述连接配对件(10、50)各自具有要与相应另外那个连接配对件相连的、作为表面区段(18、 58,68)的部分的接触面(16、56、66)，其中，在这些所述接触面(16、56、66)之间布置有含贵金属的连接剂(42)，以及其中，至少一个连接配对件(10)的所述表面区段(18)由非贵金属构成，并且所述非贵金属在与所述接触面(16)相邻接的区域内具有金属氧化物层040)，而所述接触面本身是金属的，并且因此以不具有金属氧化物层的方式构成，并且由此与连接剂GO)保持直接接触。
2.按照权利要求1所述的系统，其中，所述贵金属占所述连接剂G2)的质量份额为直至 100%。
3.按照权利要求1或者2所述的系统，其中，所述连接剂02)的主要部分是金属银。
4.按照权利要求1所述的系统，其中，所述非贵金属是铝、铜或者是铜合金。
5.用于制造根据前述权利要求之一所述系统的方法，其特征在于如下依次进行的步骤 准备具有由非贵金属构成的表面区段(18)的第一连接配对件(10)，所述表面区段 (18)具有位于其上的平面式的金属氧化物层O0)； 将还原剂(30)涂覆到所述表面区段(18)的设置为所述第一连接配对件(10)的第一接触面(16)的区域上； 将由烧结膏GO)构成的层涂覆到所述还原剂(30)上； 将所述第二连接配对件(50)的所述第二接触面(56)布置在由烧结膏GO)构成的层上； 对所述系统加温和加压，用以构造材料配合的低温压力烧结连接。
6.按照权利要求5所述的方法，其中，所述还原剂(30)是无机酸或者有机酸，优选为柠檬酸或者饱和脂肪酸，如硬脂酸，或者为不饱和脂肪酸。
7.按照权利要求5所述的方法，其中，在实施加温后，才实施加压。
8.按照权利要求5所述的方法，其中，借助模板印刷或者借助喷雾法来涂覆由贵金属絮状物和溶剂构成的烧结膏GO)。
9.按照权利要求5所述的方法，其中，所述还原剂(30)被以固相或液相来涂覆。
10.按照权利要求5所述的方法，其中，所述还原剂(30)具有如下的沸点或者升华点， 所述沸点或者升华点不高于为了构成低温压力烧结连接而向所述系统施加的那个温度并且最多低于为了构成低温压力烧结连接而向所述系统施加的那个温度20K。
全文摘要
一种带低温压力烧结连接的两个连接配对件系统及其制造方法，连接配对件借助低温压力烧结连接材料配合地连接，连接配对件具有与另外连接配对件相连、作为表面区段部分的接触面，接触面之间布置含贵金属的连接剂，至少一个连接配对件表面区段由非贵金属构成，其在与接触面相邻接区域内有金属氧化物层，接触面本身是金属的且不具有金属氧化物层并由此与连接剂直接接触。方法的步骤准备具有非贵金属表面区段的第一连接配对件，表面区段有平面式金属氧化物层；还原剂涂覆到表面区段设置为第一连接配对件第一接触面的区域上。烧结膏层涂覆到还原剂上。第二连接配对件第二接触面布置在烧结膏层上。对系统加温和加压以构造材料配合的低温压力烧结连接。
文档编号H01L23/00GK102263068SQ20111014707
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月27日 优先权日2010年5月27日
发明者乌尔里希·扎格鲍姆, 约恩·格罗斯曼 申请人:赛米控电子股份有限公司