[发明专利]用于引线键合的衬底金属层结构及功率半导体器件有效

专利信息
申请号: 201811249360.X 申请日: 2018-10-25
公开(公告)号: CN111106084B 公开(公告)日: 2021-08-10
发明(设计)人: 张鸿鑫;刘国友;罗海辉;谭灿健;冯宇;韩星尧 申请(专利权)人: 株洲中车时代半导体有限公司
主分类号: H01L23/482 分类号: H01L23/482;H01L23/498;H01L23/49;H01L21/60
代理公司: 北京聿宏知识产权代理有限公司 11372 代理人: 吴大建;何娇
地址: 412001 湖南省株洲市石峰*** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 用于 引线 衬底 金属 结构 功率 半导体器件
【说明书】:

本申请提供了一种用于引线键合的衬底金属层结构以及功率半导体器件,衬底金属层结构自下而上依次包括:衬底;金属层,其设置在该衬底的上表面;以及引线,其设置在该金属层的远离该衬底的表面上并与该金属层形成引线键合;其中,该金属层包括叠置而成的多个子金属层,并且该多个子金属层的表面积自下而上逐渐减小。通过该衬底金属层结构及功率半导体器件,可以成功实现降低引线键合失效率,且金属层应力较小,工艺实现简单,成本较低,提高了器件的可靠性。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域,并且更具体地,涉及一种用于引线键合的衬底金属层结构及功率半导体器件。

背景技术

当前功率半导体器件逐步朝高功率密度、高散热能力发展,这就要求器件内部使用的金属层及引线具有高热导率、高载流能力的特点,在实践中将铝质材料改成铜质材料同时将引线加粗,能够器件电流密度增加,从而延长器件的使用寿命。但同时也存在一些问题,铜相对于铝较硬,引线键合时需要更大的键合力才能成功实现键合,同样使用较粗的引线进行键合也需要更大的键合力,而较大的键合力容易造成衬底(通常为芯片或衬板)损坏,使器件性能退化甚至失效,通常需要在衬底表面加入较厚的金属层,而较厚的金属层将导致较大的应力,尤其是在高温环境中,容易引起衬底弯曲、金属层起皮甚至键合点脱落,导致器件失效,这严重影响了器件的可靠性,缩短了产品的使用寿命。

目前国内外已有的发明专利中,铝、铜、金等多种金属已被广泛应用于半导体引线键合,也有部分专利中提及使用引线键合垫、焊盘、金属球等方法实现引线键合,然而其中大部分均应用于封装结构中的引线框架中,并未对金属层作出改进。

因此,需要设计一种新型的衬底金属层结构及功率半导体器件,既能成功实现引线键合,又能保持较小的金属层应力从而防止金属层脱落。

发明内容

针对上述现有技术中的问题,本申请提出了一种适用于引线键合的衬底金属层结构及包含该衬底金属层结构的功率半导体器件,通过将金属层设置为多层结构,可以成功实现降低引线键合失效率,且金属层应力较小,工艺实现简单,成本较低,提高了器件的可靠性。该衬底金属层结构适用于所有使用引线键合工艺的功率半导体器件,应用范围广且成品率高。

第一方面,本申请提供的用于引线键合的衬底金属层结构,自下而上依次包括:衬底;金属层,其设置在所述衬底的上表面;引线,其设置在所述金属层的远离所述衬底的表面上并与所述金属层形成引线键合;其中,所述金属层包括叠置而成的多个子金属层,并且所述多个子金属层的表面积自下而上逐渐减小。通过该衬底金属层结构,能够在进行引线键合的同时降低键合失效率。

在一个实施方式中,多个子金属层中的每个子金属层均为Cu、Ni、Pd、Au、Ag、Sn、Ti和Pb中的一种或多种制成的单层结构。

在一个实施方式中,多个子金属层中的每个子金属层均为由多个单层结构叠置而成的多层结构,所述单层结构由Cu、Ni、Pd、Au、Ag、Sn、Ti和Pb中的一种或多种制成。

在一个实施方式中,多个子金属层中,与所述衬底连接的最下层子金属层的厚度最小。

在一个实施方式中,引线通过热、压力或超声波能量与所述金属层形成引线键合。

在一个实施方式中,多个子金属层的相邻子金属层之间采用物理气相沉积或电镀工艺进行连接。

在一个实施方式中,多个子金属层的最下层子金属层通过物理气相沉积工艺设置在所述衬底上。

在一个实施方式中,衬底为芯片或衬板。

在一个实施方式中,金属层包括3个子金属层。

第二方面,本申请还提供了一种功率半导体器件,其包括第一方面及其可能的实施方式中所述的衬底金属层结构。

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