CN102150259B - 半导体装置以及用于制造半导体装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体装置（1），其包含有至少一个半导体元件（2），该半导体元件固定布置在一个陶瓷载体（4）上。根据本发明而规定，该陶瓷载体（4）是至少分段导电的。
Description
现有技术
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的一种半导体装置、根据权利要求13所述的应用以及根据权利要求14所述的用于制造半导体装置的方法。
对于高热负荷的半导体元件的封装（Packaging），当前采用的是陶瓷壳体或衬底，其中陶瓷用作半导体元件的载体，并同时用作电绝缘。半导体元件通常从其底侧或者利用导电的粘合剂或者利用绝缘的粘合剂被固定或焊接在该陶瓷载体上。这种半导体装置在DE 10 2005 038 760 A1中有阐述。在由该文件所公开的半导体装置中，半导体元件通过相对厚的金属层固定到该陶瓷载体上。因为相对厚的金属层具有与半导体元件的半导体材料和载体陶瓷不同的热膨胀系数，所以尤其在半导体装置温度负荷高的情况下可能导致损害半导体装置的机械应力。
在可选的已知的半导体装置中，针对半导体元件采用了金属壳体，半导体元件以其底侧导电地被固定到该壳体上，其中比如通过玻璃套管来实现绝缘连接。
作为诸如晶体管的功率半导体元件的封装标准，壳体已是通行的，其中该半导体元件被导电粘合到冲压的金属载体、所谓的引线框上，其中附加的电连接通过其他冲压的接触部来实现，并且该半导体元件和接触部利用一种绝缘材料、通常是塑料或者基于塑料的材料而被挤压包封。
所有已知的概念针对最大允许温度、尤其在所谓宽能带间隙半导体元件的应用中都涉及其界限。尤其在高于250℃的温度下、尤其在其他诸如震动的环境（wittriger）条件同时影响下、或在腐蚀环境应用下就是这种情况。
本发明的公开
技术任务
本发明所基于的任务是推荐一种半导体装置概念，其实现了半导体装置在高温下的应用。尤其应该避免由于大的温度差而产生的机械应力。另外其任务还在于推荐用于制造这种半导体装置的一种方法。
技术解决方案
该任务在半导体装置方面利用权利要求1特征的、权利要求13所述的应用而得到解决，以及在方法方面利用权利要求14的特征而得到解决。本发明的有利的改进参见从属权利要求。在说明书、权利要求和/或附图中所公开的至少两个特征的所有组合都属于本发明的范畴。为了避免重复，根据方法而公开的特征也应该视作是根据装置而公开的，并应该是能够要求权利的。同样根据装置所公开的特征也应该视作是根据方法而公开的，并应该是能够要求权利的。
本发明所基于的想法是，至少分段地（abschnittsweise）由一种至少在应用温度条件下导电的、尤其金属导电的陶瓷来构造该半导体元件的载体，由此能够直接地通过该陶瓷载体来实现该半导体元件的电压和/或电流供给，尤其在此不必要采用在现有技术中所要求的相对厚的、具有大于30μm厚度的金属层。省略了在该半导体部分与该陶瓷载体之间这种厚的金属中间层，这再次使得避免了由于不同的热膨胀系数而引起的机械应力，由此按照本发明概念所构造的半导体装置适合应用于非常高的温度，尤其（远）高于250℃、优选高于400℃的温度。此外，至少分段地由导电陶瓷材料所构造的载体其特征在于非常高的导热性，其导致良好的散热，并从而进一步有利于在非常高温度下的应用。原则上至少一个半导体元件可以以任意的方式、比如作为二极管、晶体管或集成电路（IC）等来构造。尤其优选的是如下一种实施方案，其中该半导体元件是一种所谓的初始芯片（Die），其比如通过焊接或其他的方法被固定到至少分段导电的陶瓷载体上。优选的是如下一种半导体装置的实施方案，其中该导电陶瓷载体构造了至少一个第一接触部、尤其该半导体元件的接地接触部，其中在此该连接技术或者说用于把该半导体元件连接到该导电陶瓷载体上的连接材料优选同样应该是导电的，并优选地应该仅如此厚，使得避免了由于不同的温度系数而引起的严苛的机械应力。从而比如可以通过银烧结把该半导体元件固定到该陶瓷载体上，其中该烧结层比如可以通过背侧金属化利用非常微小的厚度直接在半导体元件的制造过程中被施加于其上。
尤其很优选的是根据本发明概念所构造的半导体装置适合应用在机动车中。从而比如包含有至少一个SiC功率二极管的这种半导体装置比如能够应用在机动车发电机的发电机中或上，其中该SiC功率二极管直接地、比如通过一个薄层而施加到该SiC陶瓷元件上，陶瓷元件以其出色的机械特性、如耐磨性和耐热性也能够利用相应的、稍后还要阐述的、可选的功能结构区段来承担其他的功能。
在本发明的改进中有利地规定，该半导体元件包含有一种所谓的宽能带间隙半导体材料，或者由这种材料来构造。宽能带间隙半导体材料是具有优选大于2eV的能带间隙的半导体材料。该宽能带间隙半导体材料、诸如SiC特征在于能够在高得多的温度下作为硅来工作。
尤其很优选的是该半导体装置的一种实施方案，其中该导电陶瓷载体和该半导体元件至少近似地具有相同的热膨胀系数，以避免、优选地完全避免出现温度所引起的机械应力。如果该导电陶瓷载体和该半导体元件由相同的基材、优选地由宽能带间隙半导体材料来构造，那么就能够以简单的方式来实现相同的热膨胀系数。在此可以仅分段地由相同的材料来构造该陶瓷载体，其中在仅分段的相同材料选择的情况下，优选的是在安装区域中由相同的材料来构造该半导体元件和陶瓷载体。
该导电陶瓷载体尤其优选地是封装该半导体元件的壳体的组成部分，或者该陶瓷载体本身构成了该半导体元件的壳体，其中该导电陶瓷载体也可以是一种中间载体。
在一个最简单的实施方案中，该陶瓷载体构造为完全导电的，并比如用作该半导体元件的接地端子。在一个可选实施方案中，该陶瓷载体具有至少一个导电的以及至少一个不导电的区域，其中还优选的是，该陶瓷载体的导电区域与该半导体元件相接触。至少一个导电的和至少一个不导电区域的实施比如可以通过相应的材料选择、也即在该陶瓷载体的不同区域中设置不同的陶瓷材料来实现。完全导电的载体优选地由一种均质的陶瓷材料来组成。在最简单的情况下，该陶瓷载体作为片材或者圆片来构造。在合适构造该陶瓷载体的导电和不导电区域时，可以早已通过该陶瓷载体来制造多个导电连接。必要时可以比如通过金属连接导线来制造直接与半导体元件相接触的其他连接，其中这些连接导线用作该半导体元件的直接连接，和/或这些连接导线导向到该陶瓷载体的电绝缘或导电区域。必要时在连接导线时比如通过焊接过程所产生的压力和/或所产生的热量可以用于在该半导体元件和陶瓷载体之间连接的形成、比如接合、硬化、焊接等。
关于导电陶瓷载体的形成，以及关于该陶瓷载体导电和不导电（绝缘）区域的布置，存在不同的可能性。从而在一个最简单的实施方案中导电和不导电区域可以在一个平面中、也即优选地以相对微小的厚度并排布置。在一个可选实施方案中导电和不导电区域可以作为三维结构而被组合，其中这种三维结构实现了复杂的导线及绝缘走向及布置。
如前所述，按照本发明概念所构造的半导体装置能够在半导体元件与陶瓷载体之间放弃厚的粘合剂层以及中间层。从而现在比如能够通过至少一个作为薄层来构造的辅助层（尤其粘合剂层）把该半导体元件固定在该陶瓷载体上，其中所述薄层理解为厚度小于5μm、尤其优选地小于2μm、更尤其优选地小于1μm的层。该薄层比如可以通过气相沉积至少一个薄金属层、尤其钛层来实现，以对该半导体元件和/或该陶瓷载体进行粘合或焊接的准备。尤其很优选的是该薄层作为该半导体元件的背侧金属化结构早已在半导体元件制造期间就被实现。在此如果该薄层是一个可烧结的层，那么这是尤其很优选的。
通常能够确定的是，如果通过焊接来进行半导体元件与该陶瓷载体的接合，那么这应该在一个温度下来实施，其中该温度低于该半导体元件的应用温度。比如为了接合可以在600℃和900℃之间的温度范围中来采用硬焊。代替地也可以通过共晶键合或粘合过程、或玻化过程（Aufglasungsvorgang）或融化过程来实现连接，优选地在相对小的温度下。
在本发明的改进中有利地规定，该陶瓷载体除了该半导体元件的承载功能或保持功能之外还承担了至少另一功能。为此该陶瓷载体优选地具有一个机械功能结构区段，比如以固定区段和/或散热器区段和/或支撑区段的形式，比如用于形成滑动支撑等。该机械功能结构区段在此或者可以由导电陶瓷、或者由不导电陶瓷来构造，其中尤其优选的是，把该功能结构区段实施为纤维增强的。也可以作为复合元件来构造该陶瓷载体，其中该复合元件具有至少一种非陶瓷的、优选形成该功能结构区段的材料，以能够安全而防断裂保护地实现即使非常复杂的结构方案。
关于该功能结构区段的具体构造，存在不同的可能性。从而其比如可以包含有至少一个开口，比如用于容纳固定元件如螺丝等。也可以利用至少一个对准鼻部和/或至少一个卡锁鼻部来构造该功能结构区段。附加地或代替地该功能结构区段可以具有一个针形区段，尤其用于把该陶瓷载体固定到另一元件上。
本发明还涉及已公开的、至少分段的导电陶瓷的应用，尤其所谓宽能带间隙陶瓷作为半导体元件载体的应用，其具有前述的不寻常的优点。
此外本发明还涉及用于制造半导体装置的方法，其中该半导体装置尤其很优选地如前所述来构造。该方法的核心是提供一种至少分段导电的陶瓷载体，该陶瓷载体可以在需要时还作为包含有非陶瓷区段的复合元件来构造。优选地如此来进行该半导体元件与该陶瓷载体的接合，使得该半导体元件与该陶瓷载体的至少一个导电区段相接触，使得该陶瓷载体实现了该半导体元件的至少一个电连接。
优选地该半导体结构材料在实现作为薄层而构造的辅助层的情况下被固定到该陶瓷载体上，其中可以在半导体元件和/或陶瓷材料上比如通过气相沉积来设置厚度小于5μm的薄层。
尤其很优选的是，通过优选在其制造过程中该半导体元件的背侧涂层、尤其背侧金属化来敷设该辅助层。
附图的简述
本发明的其他优点、特征和细节由下面的优选实施例的阐述以及借助附图来得到。其中：
图1示出了半导体装置的一个第一实施例，其中该陶瓷载体完全由导电陶瓷来构造，
图2示出了一种半导体装置，其包含有陶瓷载体，该陶瓷载体具有两个导电区域和一个电绝缘区域，以及
图3示出了具有陶瓷载体的半导体装置，其中该陶瓷载体包含有三维布置的导电和不导电区域。
本发明的实施方案
在附图中相同单元和具有相同功能的单元用相同的参考符号来表示。
图1示出了一个半导体装置1，其具有作为初始芯片来构造的半导体组件2，该半导体组件2通过作为粘合层来构造的辅助层3（薄层）固定到一个陶瓷载体4上。该辅助层3是导电的，以通过该陶瓷载体4给该半导体元件2形成接地接触部。该陶瓷载体4在所示的实施例中完全由导电陶瓷材料来构造，其中除了该导电陶瓷材料之外，在可选实施方案中还可以具有非导电陶瓷材料以及非陶瓷材料，比如用于形成在下文中还要解释的功能结构区段。
如前所述，该导电陶瓷载体4总共包含有三个功能结构区段5，功能结构区段在所示的实施例中直接在该导电陶瓷材料中来构造。一个第一、在图面中左边的功能结构区段5作为定心鼻部6来构造，一个第二、在图面中中间的功能结构区段5作为凹口7来构造，以及一个第三、在图面中右边的功能结构区段5作为通孔8来构造。
又由图1可得到，该半导体元件2不仅通过该陶瓷载体4、而且通过另一在此作为引线键合接触部来实施的额外电接触部9来接触，其中该电接触部固定在图面中半导体元件2的上侧。
在图1所示的实施例中，该半导体元件2和该陶瓷载体4由相同的宽能带间隙半导体材料、在此为SiC来构造。
图2的实施例与前述的图1的实施例不同之处主要在于，该陶瓷载体4由不同的陶瓷材料来构造，并具有两个（外部）导电区域10以及一个夹层式地置于其间的不导电区域11（绝缘体）。该导电和不导电区域10、11在基本二维的平面中并排地布置。要注意的是，该半导体元件2如此布置，使得它利用两个相互间隔的接触区域来接触该载体4的两个导电区域10。在此该半导体元件2分别通过一个作为烧结层来构造的辅助层3（薄层）与该导电区域10相连接。
图3的实施例示出了半导体装置1的另一可选实施方案，其中该半导体装置包含有一个半导体元件2以及一个复杂构造的陶瓷载体4，其中导电和不导电区域10、11以一种三维结构装置来实现，其中该半导体元件2直接通过在两个薄层之间所实现的、同样作为薄层来构造的焊层（未示出）而与该陶瓷载体4的导电区域10相连接，其中通过另一作为引线连接而构造的电接触部9在该半导体元件2的上侧与该陶瓷载体4的另一导电区域10之间形成了导电连接，其中所述另一导电区域10通过一个不导电区域11与承载该半导体元件2的、图面中左边的导电区域10相绝缘。
Claims (28)
1.半导体装置，包含有至少一个半导体元件（2），其中该半导体元件固定地布置在陶瓷载体（4）上，
其特征在于，
该陶瓷载体（4）是至少分段地导电的。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该半导体元件（2）包含有具有大能带间隙的半导体材料。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该半导体元件（2）包含有具有大于2eV的大能带间隙半导体材料。
4.根据权利要求2所述的半导体装置，
其特征在于，
该半导体材料为SiC。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该陶瓷载体（4）和该半导体元件（2）具有相同的热膨胀系数。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该陶瓷载体（4）和该半导体元件（2）至少分段地由相同的材料来构造。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该陶瓷载体（4）是至少分段地包围该半导体元件（2）的壳体或者壳体组成部分。
8.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该陶瓷载体（4）是完全地包围该半导体元件（2）的壳体或者壳体组成部分。
9.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该陶瓷载体（4）具有至少一个导电的和至少一个不导电的区域（10，11）。
10.根据权利要求9所述的半导体装置，
其特征在于，
该不导电区域（11）是至少一个印制导线的载体。
11.根据权利要求9所述的半导体装置，
其特征在于，
该导电和不导电区域（10，11）在平面中并排地布置，或者在三维结构中布置。
12.根据权利要求9所述的半导体装置，
其特征在于，
该导电和不导电区域（10，11）在基本二维的平面中并排地布置。
13.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该半导体元件（2）在至少一个作为薄层而构造的辅助层（3）参与的情况下，与该陶瓷载体（4）固定地连接。
14.根据权利要求13所述的半导体装置，
其特征在于，
所述薄层具有小于5μm的厚度。
15.根据权利要求13所述的半导体装置，
其特征在于，
所述薄层具有小于2μm的厚度。
16.根据权利要求13所述的半导体装置，
其特征在于，
所述薄层具有小于1μm的厚度。
17.根据权利要求13所述的半导体装置，
其特征在于，
该辅助层（3）是金属的辅助层（3）。
18.根据权利要求13所述的半导体装置，
其特征在于，
该半导体元件（2）在至少一个作为薄层而构造的辅助层（3）参与的情况下，通过银烧结而与该陶瓷载体（4）固定地连接。
19.根据权利要求13所述的半导体装置，
其特征在于，
该辅助层（3）是通过背侧涂层而被施加到该半导体元件（2）上的层。
20.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该陶瓷载体（4）具有机械功能结构区段（5）、和/或散热器区段、和/或支撑区段。
21.根据权利要求1所述的半导体装置，
其特征在于，
该陶瓷载体（4）具有固定区段、和/或散热器区段、和/或支撑区段。
22.根据权利要求20所述的半导体装置，
其特征在于，
该功能结构区段（5）包含有开口，以容纳固定元件、和/或对准鼻部、和/或卡锁鼻部、和/或固定销。
23.一种至少分段导电的陶瓷作为半导体元件（2）的载体的应用。
24.用于制造半导体装置（1）的方法，其包含有以下的步骤：
·提供至少一个半导体元件（2），
·提供至少分段导电的陶瓷载体（4），
·把该半导体元件（2）与该陶瓷载体（4）相接合。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述半导体装置（1）是根据权利要求1至22之一所述的半导体装置。
26.根据权利要求24所述的方法，
其特征在于，
该半导体元件（2）利用通过至少一个作为薄层而构造的辅助层（3）而与该陶瓷载体（4）相连接。
27.根据权利要求26所述的方法，
其特征在于，
该辅助层（3）是烧结层。
28.根据权利要求26所述的方法，
其特征在于，
该辅助层（3）通过背侧涂层而被施加到该半导体元件（2）上。
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