用于形成连接的装置的制作方法

1.本公开内容涉及一种用于形成连接的装置(arrangement)，具体地，涉及一种用于形成焊料连接的装置。


背景技术：

2.功率半导体模块装置通常包括多个不同的部件，例如衬底、安装在衬底上的半导体主体、壳体、连接到衬底并被配置为在壳体的内部和外部之间提供电连接的端子元件、键合线，等等。这些部件中的许多部件机械地和电地耦合到至少一个其它部件。因此，在功率半导体模块装置的不同部件之间形成多个连接。例如，半导体主体通常通过导电的连接层来电连接和机械连接到衬底。例如，这种导电连接层通常可以是焊料层、导电粘合剂层或烧结金属粉末(例如，烧结银(ag)粉末)层。
3.例如，可以在特殊的腔室中形成两个不同部件之间的这种连接层。可以将其中一个连接配件(partner)布置在腔室中，在该第一连接配件上形成预连接层。在第一连接配件上布置第二连接配件之前，通过在它们之间布置预连接层，可以将预连接层熔化到一定程度。例如，在其上形成有预连接层的第一连接配件可以被插入到腔室中，并被加热以熔化预连接层。当加热预连接层时，存在于预连接层中的液体可以蒸发。这种蒸发的液体通常会凝结在腔室的壁和顶部上。当在同一个腔室中连续执行一定数量的加热循环时，通常会在腔室的壁和顶部上聚集大量的液体。如果液体量达到某个阈值量，则存在形成液滴的风险，这些液滴随后从腔室的顶部落下并落到当前布置在腔室中的第一连接配件上以及在其上形成的预连接层上。这种污染可能随后对第一连接配件和第二连接配件之间形成的连接层的强度产生不利影响，并导致成品功率半导体模块装置的故障。
4.需要一种能够减少或更好地避免上述缺陷和其它缺陷的装置，这种装置允许在连接配件之间产生连接并具有提高的性能和可靠性。


技术实现要素：

5.一种装置包括腔室、布置在腔室中的加热元件、以及冷却阱(cooling trap)，其中，当在腔室中布置其上形成有预连接层的第一连接配件时，加热元件被配置为对第一连接配件和预连接层进行加热，从而熔化预连接层。在加热其上形成有预连接层的第一连接配件的过程中，冷却阱的温度低于腔室的或腔室中所有其它部件的温度，使得从预连接层蒸发的液体被冷却阱吸引并凝结在冷却阱上。
6.参考以下附图和详细描述可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定按比例绘制，而是旨在强调说明本发明的原理。此外，在附图中，贯穿不同视图的相同附图标记指代对应的部分。
附图说明
7.图1是用于加热预连接层的装置的截面图。
8.图2示意性地示出了根据一个示例的用于加热预连接层的装置的截面图。
9.图3示意性地示出了根据另一个示例的用于加热预连接层的装置的截面图。
10.图4示意性地示出了根据另一个示例的用于加热预连接层的装置的截面图。
11.图5示意性地示出了根据另一个示例的用于加热预连接层的装置的截面图。
12.图6示意性地示出了根据另一个示例的用于加热预连接层的装置的截面图。
具体实施方式
13.在以下详细描述中，对附图进行参考。附图显示了如何实施本发明的具体示例。应当理解的是，除非另外特别指出，否则关于各个示例所描述的特征和原理可以彼此组合。在说明书以及权利要求中，将某些元件命名为“第一元件”、“第二元件”、“第三元件”等不应理解为列举。相反，此类命名仅用于表示不同的“元素”。也就是说，例如，“第三元素”的存在并不一定需要“第一元素”或“第二元素”的存在。如本文所描述的半导体主体可以由(掺杂的)半导体材料制成，并且可以是半导体芯片或者包括在半导体芯片中。一种半导体主体具有可电连接的焊盘，并且包括至少一个具有电极的半导体元件。
14.参考图1，该图示意性地示出了用于形成预连接层的装置的截面图。该装置包括腔室20。腔室20包括入口22、出口24和加热元件26。在这种装置中的加热元件26包括加热板。然而，这只是一个例子。可以以任何适当的方式实现加热元件26。例如，通过入口22将诸如氮气(n2)之类的气体引入腔室20。出口24用于在腔室20内产生真空。第一连接配件10可以布置在腔室20中(例如，布置在加热元件26上)，其中在第一连接配件10上形成预连接层12。第一连接配件10可以是诸如直接铜键合(dcb)衬底、直接铝键合(dab)衬底、活性金属钎焊(amb)衬底、绝缘金属衬底(ims)或传统印刷电路板(pcb)。根据另一个例子，第一连接配件10可以是基板，例如cu或alsic基板。基板还可以包括或者由任何其它适当的材料组成。然而，这些只是示例。第一连接配件10可以是机械和电耦合到第二连接配件(附图中没有明确示出第二连接配件)的任何连接配件。例如，预连接层12可以是焊料层、导电粘合剂层或烧结金属粉末层(例如，烧结银(ag)粉末)。例如，第二连接配件可以是半导体主体，例如二极管、igbt(绝缘栅双极晶体管)、mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)、jfet(结场效应晶体管)、hemt(高电子迁移率晶体管)、或者任何其它适当的半导体元件。根据另一个例子，第二连接配件可以是诸如dcb、dab、amb、ims、pcb之类的衬底。第二连接配件也可以是任何其它适当的衬底。然而，这些只是示例。第二连接配件可以是要机械和电耦合到第一连接配件10的任何连接配件。第一连接配件和第二连接配件也可能根本不与功率半导体模块相关联。
15.根据一个例子，在第一连接配件10进入腔室20之前，在第一连接配件10上形成预连接层12。此时的预连接层12包含一定量的液体和/或固体，其取决于材料在室温和大气压下的物理特性。在将第二连接配件布置到第一连接配件10上(预连接层12布置于其间)之前，将预连接层12加热，以使预连接层12熔化到一定程度。加热元件26被配置为产生热量，从而加热第一连接配件10和在其上形成的预连接层12。当被加热时，一定量的液体32可以从预连接层12蒸发。例如，这种蒸发的液体32可以凝结在腔室20的壁和/或顶部上。当在同一个腔室20中连续执行一定数量的加热循环时(其上形成有预连接层12的多个不同的第一连接配件10被连续加热)，可能在腔室20的壁和/或顶部上聚集大量的液体32。如果液体量
达到某一点，则存在形成液滴的风险，这些液滴随后从腔室的顶部落下并落到当前布置在腔室20中的第一连接配件10上以及在其上形成的预连接层12上。这种污染可能随后对第一连接配件10和第二连接配件之间形成的最终连接层的强度产生不利影响，并导致成品功率半导体模块装置的故障。
16.通常，一旦腔室20中的加热过程完成，就可以将第一连接配件10从腔室20中移除，并且可以在第一连接配件10上布置第二连接配件，其中在第一和第二连接配件之间布置熔化的预连接层12。替代地，第二连接配件也可以已经布置在第一连接配件10上，其中在加热过程期间熔化的预连接层12布置在第一和第二连接配件之间。随后，通过将第二连接配件压到预连接层12上，第一连接配件10和第二连接配件可以彼此机械和电连接。在压力和可选的更多热量的影响下，可以在第一和第二连接配件之间形成连接层，这在两个连接配件之间形成永久连接。随后，可以冷却连接配件和完成的连接层。
17.现在参考图2，根据第一示例的装置还包括冷却阱40，其也可以称为冷凝阱。冷却阱40的温度低于腔室20中的环境温度。冷却阱40的温度也低于腔室20的或者布置在腔室20中的其它部件的温度。例如，冷却阱40的温度可以低于腔室20的壁和顶部，或者低于加热板26的温度。如上所述，在加热预连接层12的过程中，在腔室20中产生真空。当布置在真空中时，冷却阱40将蒸汽冷凝成液体。也就是说，从预连接层12蒸发的液体32被冷却阱40捕获，而不是被腔室20的或者布置在腔室20中的其它部件(例如，腔室20的壁和顶部)捕获。这通过图2中的箭头的方式来说明。可以将冷却阱40布置在腔室20中远离第一连接配件10的位置。在图2所示的例子中，将冷却阱40布置在直立位置。也就是说，冷却阱40提供液体32可以在其上冷凝的垂直表面。当大量液体32积聚在冷却阱40上时，当超过某个阈值量时它会落下。可以将冷却阱40布置在腔室20中防止液滴落到第一连接配件10上或者预连接层12上的位置。从冷却阱40落下的液滴可以下落并越过第一连接配件10，并且落在例如腔室20的地板上。
18.根据另一个例子，在布置在冷却阱40下方的收集盘42中，收集从冷却阱40落下的液滴。在图3中对此进行了示例性说明。在该例子中，可以将冷却阱40至少部分地布置在例如第一连接配件10上方，因为收集盘42防止任何液体落到第一连接配件10或预连接层12上。
19.通常，例如，冷却阱40可以具有10到40℃之间的温度。根据一个例子，冷却阱40具有大约20℃的温度。另一方面，例如，可以将腔室20的壁、底部和顶部加热到70至100℃之间的温度。根据一个例子，将腔室20的壁、底部和顶部加热到90℃的温度。一般来说，冷却阱40与腔室20的壁、底部和顶部之间的温度差可以是至少30℃、至少50℃或至少70℃。以这种方式，可以确保液体冷凝在冷却阱40上而不是冷凝在腔室20的壁和顶部上。
20.供给到腔室20的气体，也可以加热到至少70℃的温度。根据一个例子，供给到腔室20中的气体具有100℃的温度。这样，腔室20中的整体环境温度显著地高于冷却阱40的温度。因此，冷却阱40始终是腔室20中最冷的元件，并且液体将主要(如果不是排他地)冷凝在冷却阱40的表面上。通过对供给到腔室20的气体进行加热，可以防止在蒸发的液体到达冷却阱40之前以其气相冷凝。然而，加热气体只是可选的。也可以将气体引入温度低于70℃(例如，20℃)的腔室20中。
21.在附图所示的例子中，沿竖直方向y将入口22布置在加热元件26上方的位置。然
而，这只是一个例子。通常，可以将入口22布置在任何合适的位置。根据一个例子(没有具体示出)，将入口22布置在靠近加热元件26的位置，例如，在加热元件26的垂直下方或水平侧方。这样，通过入口22进入腔室20的气体，在进入腔室20时总是流过加热元件26。因此，即使气体在通过入口22时具有相当低的温度，它在进入腔室20后立即也被加热元件26加热。因此，无需额外的加热机制来加热气体并提高环境温度。
22.在图2和图3所示的例子中，在竖直方向y上，将冷却阱40布置在第一连接配件10上方。然而，这只是一个例子。还可以将冷却阱40布置在第一连接配件10下方沿竖直方向y的任何位置，或沿水平方向x布置在第一连接配件10的旁边。
23.例如，冷却阱40可以包括诸如玻璃或金属之类的耐低温(cold resistant)材料。例如，冷却阱40可以包括单个板或多个彼此相邻布置的翅片(fin)或销(pin)。然而，任何其它适当的形式也是可能的。
24.在图2和图3所示的例子中，将冷却阱40布置在腔室20中。然而，这只是一个例子。如图4的例子中所示意性示出的，也可以将冷却阱40布置在与腔室20相邻布置的第二腔室202中。腔室20和第二腔室202可以通过开口彼此连接，该开口足够大，以允许蒸发的液体不受阻碍地到达冷却阱40。可以将第二腔室202看作是腔室20的延伸。冷凝在冷却阱40上的液体可以降落到第二腔室202的底部上，可以收集这些液体并随后从第二腔室202中去除。如该例子中所示，可以将出口24布置在冷却阱40后面的第二腔室202中。该上下文中的“在冷却阱后面”是指出口24的位置，使得将冷却阱40布置在出口24与第一和第二连接配件10之间。
25.在图2至图4中所示并且上面所描述的例子中，加热元件26仅包括加热板。根据另一个例子，并且如图5中示例性示出的，加热元件26不仅可以包括加热板，还可以包括冷却板。也就是说，加热元件26可以是组合的加热和冷却元件。这种装置可以包括多个加热元件26，其中将至少一个第一连接配件10布置在所述多个加热元件26的每一个上。在该例子中，腔室20可以是或者可以包括单腔室真空焊接炉。也就是说，可以在腔室20内部产生真空，并且可以在真空和高温(例如，在高于400℃或高于600℃的温度)下执行焊接工艺。可以将工艺气体通入到腔室20中。在执行焊接工艺之后，可以随后冷却加热元件26以冷却腔室20的内部以及连接配件。可以以类似于上面关于图2、图3和图4所描述的方式，将冷却阱40布置在腔室20内。冷却阱40捕获从布置在腔室20内部的多个预连接层12蒸发的液体，使得液体不会凝结在腔室20的或者布置在腔室20中的其它部件上。
26.根据更进一步的示例，并且如图6中示意性地示出的，该装置还可以包括保护设备44。例如，保护设备44可以包括箔或板。将保护设备44设置在第一连接配件10和腔室20的顶部之间。保护设备44的尺寸大于第一连接配件10以完全覆盖第一连接配件10。更进一步，保护设备44可以弯曲(deflect)，使得保护设备44的中心部分被布置成比保护设备44的边缘更靠近腔室20的顶部。可以将保护设备44加热到高于80℃的温度。根据一个例子，保护设备44具有大约100℃的温度。另一方面，腔室20的顶部的温度远低于保护设备44的温度。例如，腔室20的顶部可以具有大约20℃-60℃的温度。例如，保护设备44与腔室20的顶部之间的温度差可以是至少40℃。以这种方式，蒸发的液体32冷凝在腔室20的顶部，而不是冷凝在保护设备44上，这是因为顶部充当吸引蒸发液体的冷却阱。
27.当已经在腔室20的顶部上积聚一定量的液体，并且形成随后从顶部朝第一连接配
件10落下的液滴34时，这些液滴落到布置在顶部与第一连接配件10之间的保护设备44上。因此，保护设备44防止了积聚的液体污染第一连接配件10和在其上形成的预连接层12。由于保护设备44的曲率，液体流向保护设备44的边缘。从那里它可以进一步向下滴落并越过第一连接配件10，并滴到腔室20的底部。
28.根据另一个例子(没有具体示出)，可以将保护设备44实现为收集盘，类似于图3所示的收集盘42。这种收集盘也完全覆盖第一连接配件10，以防止任何液滴34落到第一连接配件10或预连接层12上。
29.以上关于图6描述的保护设备44被布置成在竖直方向y上远离第一连接配件10。也就是说，保护设备44不与第一连接配件10或预连接层12接触。此外，远离腔室20的顶部和壁来设置保护设备44。这样，蒸发的液体32可以不受阻碍地到达用作冷却阱的腔室20的顶部。