CN113889428A - 一种用于半导体器件的烧结设备及烧结方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体器件加工设备技术领域，具体涉及一种用于半导体器件的烧结设备及烧结方法。一种用于半导体器件的烧结设备，包括：工作台，所述工作台上设有驱动结构和加热结构；压制结构，设于所述工作台上，且与所述驱动结构对应设置，所述压制结构包括夹持机构和设于所述夹持机构上的多个施力机构，多个施力机构与设于所述工作台上的多个半导体器件一一对应，所述施力机构包括压头和与所述压头连接的压力均衡组件，所述压力均衡组件包括在所述压头施力时沿施力方向发生形变的第一偏压件。本发明提供了一种工作时压力稳定，降低半导体器件的损坏率的用于半导体器件的烧结设备及烧结方法。

Description

一种用于半导体器件的烧结设备及烧结方法
技术领域
本发明涉及半导体器件加工设备技术领域，具体涉及一种用于半导体器件的烧结设备及烧结方法。
背景技术
近些年随着电力、高铁以及电动汽车等的快速发展，大功率半导体器件的需求增长迅猛。大功率半导体器件功率密度高、发热量大，其自身对散热要求非常高。大功率半导体器件封装用焊接材料的导热性对器件的散热能力影响很大，所以超高导热焊接材料成为研发和开发的重要方向。纳米银膏焊料是近几年业内开发的重点，其导热性是传统焊料如焊锡、SAC等的3－5倍，被认为是理想的替代品。
传统的半导体封装焊接使用的焊料不需要加压，只需加热，封装焊接时使用的设备主要是回流焊炉，采用多温区调整温度，采用空气对流的加热循环方式控温，确保在一定的加热时间内温度均匀。且传统的半导体封装焊接所采用的工艺及设备，只能满足无压条件的工艺要求，设备庞大。而纳米银膏则是要求用加热、加压方式焊接，在需要同时加热及加压的半导体封装焊接时，传统的工艺、设备无法实现。
为此，现有技术提出了一种热压烧结机，安装于机器顶部的伺服电机带动减速机及丝杆转动，驱动螺母副，使安装于导杆底端的压力传感器及上加热板在导杆的引导下上下运动，可根据工艺要求分段设定需施加于加工器件上的压力。该装置虽然实现了对烧结时的压力控制，但是该压力值并不稳定，尤其对于加工面积较小的半导体芯片，当压力不稳定时，芯片可能会被烧坏，或损坏栅极，影响最终产品的质量。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的热压烧结机工作时压力不稳定，易损坏半导体器件的缺陷，从而提供一种工作时压力稳定，降低半导体器件的损坏率的用于半导体器件的烧结设备及烧结方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于半导体器件的烧结设备，包括：
工作台，所述工作台上设有驱动结构和加热结构；
压制结构，设于所述工作台上，且与所述驱动结构对应设置，所述压制结构包括夹持机构和设于所述夹持机构上的多个施力机构，多个施力机构与设于所述工作台上的多个半导体器件一一对应，所述施力机构包括压头和与所述压头连接的压力均衡组件，所述压力均衡组件包括在所述压头施力时沿施力方向发生形变的第一偏压件。
可选地，所述压力均衡组件还包括设于第一偏压件两端的第一固定件、第二固定件和设于第一固定件、第二固定件之间的第一导杆，所述第一偏压件套设在所述第一导杆上。
可选地，还包括设于所述第二固定件和压头之间的第二偏压件。
可选地，所述第二偏压件和压头之间还设有第一压力传感器和第一温度传感器。
可选地，所述压制结构还包括与所述夹持机构对应设置的样品台，所述样品台上设有通孔。
可选地，所述样品台中还设置有吸附层，所述吸附层与所述样品台的通孔贯通设置。
可选地，所述样品台中还设有第二压力传感器和第二温度传感器。
可选地，所述压制结构还包括支架，所述样品台设于所述支架上，所述夹持机构通过设于所述支架上的第二导杆与所述支架滑动连接。
可选地，所述加热结构包括分设在所述压制结构相对两侧的第一加热结构和第二加热结构。
还提供了一种用于半导体器件的烧结方法，包括以下步骤：
将多个半导体器件间隔放置在工作台上，驱动结构驱动夹持机构和多个施力机构朝向半导体器件运动，以通过第一偏压件对半导体器件施加压制力，压制时的温度为250－300℃，压制时间为5－20min。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的用于半导体器件的烧结设备，将多个半导体器件依次放置在工作台的预定位置，驱动结构驱动夹持机构朝向半导体器件运动，以带动多个施力机构对相应的半导体器件施加压制力，在压制过程中，由于与压头连接的第一偏压件的设置，第一偏压件在压制过程中发生形变，使得压头作用在半导体器件上的压制力始终处于动态平衡，即各处所受的压力大小相等，从而降低了半导体器件由于受力不均导致的破坏，提高了产品质量；且多个施力机构与多个半导体器件一一对应设置，单独施压，压力更加稳定。
2.本发明提供的用于半导体器件的烧结设备，第一固定件和第二固定件之间第一导杆的设置，为第一偏压件的运动提供导向，防止第一偏压件在受力后位移幅度过大，使得半导体器件受到的压制力不均。
3.本发明提供的用于半导体器件的烧结设备，第二固定件和压头之间第二偏压件的设置，进一步提高了半导体器件的受力均匀性，保证了产品质量。
4.本发明提供的用于半导体器件的烧结设备，样品台上通孔以及吸附层的设置，可以更好地固定半导体器件，防止其在烧结过程中发生偏移，影响受力均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的用于半导体器件的烧结设备的示意图；
图2为图1去掉罩体和冷却箱后的主视图；
图3为图2中压制结构的示意图；
图4为夹持机构和施力机构的示意图；
图5为压力均衡组件的示意图；
图6为样品台的示意图；
图7为图6的俯视图；
图8为吸附层的示意图。
附图标记说明：
1、半导体器件；2、工作台；3、罩体；4、人机操作界面；5、真空泵接口；6、高纯氮气接口；7、甲酸接口；8、真空接口；9、冷却箱；10、伺服电机；11、减速机；12、丝杆；13、第一加热结构；14、螺母副；15、导向杆；16、安装架；17、第二加热结构；18、夹持机构；19、底座；20、顶板；21、第二导杆；22、压力均衡组件；23、第二偏压件；24、第一压力传感器；25、第一温度传感器；26、压头；27、第一偏压件；28、第一固定件；29、第二固定件；30、第一导杆；31、样品台；32、吸附层；33、第二温度传感器；34、第二压力传感器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1至8所示的用于半导体器件的烧结设备的一种具体实施方式，半导体器件1为表面烧结有纳米银膏的大功率压接IGBT模块，纳米银膏的厚度为0.5－1μm，包括工作台2和设于工作台2上的驱动结构、加热结构及压制结构。
工作台2上设有罩体3，罩体3上设有人机操作界面4，罩体3可与工作台2形成密闭空间，并在罩体3相应位置预留真空泵接口5、高纯氮气接口6、甲酸接口7和真空接口8，以满足烧结工艺需求，密闭空间内部放置驱动结构、加热结构和压制结构。此外，还可以在罩体3一侧设置冷却箱9，以使设备具备冷却功能，增加产能。
驱动结构包括依次设置的伺服电机10、减速机11、丝杆12和第一加热结构13，丝杆12通过螺母副14与减速机11连接，驱动结构通过导向杆15与设于工作台2上的安装架16滑动连接，安装架16的中央设有与第一加热结构13对应设置的第二加热结构17，第一加热结构13和第二加热结构17均为加热板。
压制结构设于所述工作台2的第一加热结构13和第二加热结构17之间，且与所述驱动结构对应设置，所述压制结构包括支架、设于支架上的夹持机构18和设于所述夹持机构18上的多个施力机构。支架包括相对设置的底座19、顶板20以及用于连接底座19和顶板20的第二导杆21，夹持机构18固定在顶板20上。
多个施力机构与设于所述工作台2上的多个半导体器件1一一对应，所述施力机构包括自上而下依次设置的压力均衡组件22、第二偏压件23、第一压力传感器24、第一温度传感器25和压头26。所述压力均衡组件包括在所述压头26施力时沿施力方向发生形变的第一偏压件27、设于第一偏压件27两端的第一固定件28、第二固定件29和设于第一固定件28、第二固定件29之间的第一导杆30，所述第一偏压件27套设在所述第一导杆30上。第一导杆30的两端分别与第一固定件28和第二固定件29的中心固定，第一偏压件27为碟簧，与第一固定件28和第二固定件29的接触面积较大。第二偏压件23为橡胶块等弹性体。压头26为刚性材质，可根据样品需求定制，间距根据样品间距调整。
支架的底座19上设有与所述夹持机构18对应设置的样品台31，样品台31为特氟龙膜，所述样品台31上设有通孔，通孔的尺寸与样品匹配。所述样品台31的下方还依次设置有吸附层32、第二温度传感器33和第二压力传感器34，吸附层32为多孔结构，所述吸附层32与所述样品台31的通孔贯通设置。
一种用于半导体器件的烧结方法，包括以下步骤：
将多个半导体器件间隔放置在样品台上，通过与样品台的通孔连接的真空泵对样品台抽真空，使半导体器件吸附在样品台上，并通过高纯氮气接口和甲酸接口通入氮气和甲酸。伺服电机通过减速机带动丝杆转动，在导向杆的作用下，使得安装于导向杆底端的第一加热板朝向第二加热板运动。当第一加热板与支架的顶板接触时，顶板带动夹持机构和多个施力机构沿第二导杆朝向半导体器件运动，直至压头与半导体器件接触，继续向下运动，在下移过程中，第一偏压件和第二偏压件通过形变调整对半导体器件施加的压制力，使得每一半导体器件受到的压制力大小相等，且受力均匀，首先控制预烧结温度为130－170℃，时间为50－100s，然后控制压制时的温度为250－300℃，压制时间为5－20min。预烧结和压制过程中通过第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度传感器和第二温度传感器实时监测压制力和温度变化，以及时进行相关调节，保证整个加工过程中半导体器件的受力及受热均匀。
作为替代的实施方式，第一偏压件的两端分别与夹持机构和压头固定。
作为替代的实施方式，第一偏压件和第二偏压件还可为压缩弹簧。
作为替代的实施方式，烧结材料可以为金属，如金、银等，还可以为纳米材料、纳米/微米复合材料等，可以为膜结构或膏状结构，可以为单面烧结或双面烧结，可为一次烧结或两次烧结。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于半导体器件的烧结设备，其特征在于，包括：
工作台(2)，所述工作台(2)上设有驱动结构和加热结构；
压制结构，设于所述工作台(2)上，且与所述驱动结构对应设置，所述压制结构包括夹持机构(18)和设于所述夹持机构(18)上的多个施力机构，多个施力机构与设于所述工作台(2)上的多个半导体器件(1)一一对应，所述施力机构包括压头(26)和与所述压头(26)连接的压力均衡组件，所述压力均衡组件包括在所述压头(26)施力时沿施力方向发生形变的第一偏压件(27)。
2.根据权利要求1所述的用于半导体器件的烧结设备，其特征在于，所述压力均衡组件还包括设于第一偏压件(27)两端的第一固定件(28)、第二固定件(29)和设于第一固定件(28)、第二固定件(29)之间的第一导杆(30)，所述第一偏压件(27)套设在所述第一导杆(30)上。
3.根据权利要求2所述的用于半导体器件的烧结设备，其特征在于，还包括设于所述第二固定件(29)和压头(26)之间的第二偏压件(23)。
4.根据权利要求3所述的用于半导体器件的烧结设备，其特征在于，所述第二偏压件(23)和压头(26)之间还设有第一压力传感器(24)和第一温度传感器(25)。
5.根据权利要求1－4任一项所述的用于半导体器件的烧结设备，其特征在于，所述压制结构还包括与所述夹持机构(18)对应设置的样品台(31)，所述样品台(31)上设有通孔。
6.根据权利要求5所述的用于半导体器件的烧结设备，其特征在于，所述样品台(31)中还设置有吸附层(32)，所述吸附层(32)与所述样品台(31)的通孔贯通设置。
7.根据权利要求6所述的用于半导体器件的烧结设备，其特征在于，所述样品台(31)中还设有第二压力传感器(34)和第二温度传感器(33)。
8.根据权利要求5所述的用于半导体器件的烧结设备，其特征在于，所述压制结构还包括支架，所述样品台(31)设于所述支架上，所述夹持机构(18)通过设于所述支架上的第二导杆(21)与所述支架滑动连接。
9.根据权利要求1－8任一项所述的用于半导体器件的烧结设备，其特征在于，所述加热结构包括分设在所述压制结构相对两侧的第一加热结构(13)和第二加热结构(17)。
10.一种用于半导体器件的烧结方法，其特征在于，包括以下步骤：
将多个半导体器件(1)间隔放置在工作台(2)上，驱动结构驱动夹持机构(18)和多个施力机构朝向半导体器件(1)运动，以通过第一偏压件(27)对半导体器件(1)施加压制力，压制时的温度为250-300℃，压制时间为5-20min。
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