CN118522706A - 功率半导体器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种功率半导体器件及其制作方法，功率半导体器件包括：晶圆、金属电极以及热界面材料层，热界面材料层设置在金属电极和晶圆之间，金属电极和晶圆通过热界面材料层连接，热界面材料层和金属电极的接触界面形成连续相结构，热界面材料层和晶圆的接触界面形成连续相结构。本公开的功率半导体器件的金属电极和晶圆通过热界面材料层连接，能够降低金属电极和晶圆之间的接触热阻，从而降低功率半导体器件的接触热阻，有利于提升功率半导体器件的通流能力，同时，金属电极和晶圆通过热界面材料层连接还能够降低金属电极和晶圆的机械压力，降低功率半导体器件的机械损伤的风险，提高功率半导体器件的可靠性。

Description

功率半导体器件及其制作方法

技术领域

本公开涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种功率半导体器件及其制作方法。

背景技术

目前的集成门极换流晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT）通常为刚性压接结构，IGCT器件中的所有的零部件之间的电气连接通过压力接触实现。然而，压力接触导致零部件之间接触热阻大，IGCT器件封装结构的散热性能较差，IGCT器件封装结构的散热性能成为制约器件通流能力提升的关键因素，限制了IGCT器件通流能力提升。

因此，消除IGCT器件的零部件之间的界面接触热阻，提升IGCT器件的通流能力，成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本公开要解决的技术问题包括：1.IGCT器件的零部件之间的界面接触热阻大；2.IGCT器件的通流能力差。

（二）技术方案

本公开的第一方面提供了一种功率半导体器件，包括：

晶圆；

金属电极；

热界面材料层，所述热界面材料层设置在所述金属电极和所述晶圆之间，所述金属电极和所述晶圆通过所述热界面材料层连接，所述热界面材料层和所述金属电极的接触界面形成连续相结构，所述热界面材料层和所述晶圆的接触界面形成连续相结构。

可选地，所述连续相结构包括烧结、焊接中的至少一种连接方式。

可选地，所述热界面材料层包括一种或多种金属材料。

可选地，所述热界面材料层包括：

第一连接层，所述第一连接层的一侧与所述金属电极连接；

骨架层，所述骨架层与所述第一连接层远离所述金属电极的一侧连接，所述骨架层和所述第一连接层的接触界面形成连续相结构；

第二连接层，所述第二连接层与所述骨架层远离所述第一连接层的一侧连接，所述第二连接层和所述骨架层的接触界面形成连续相结构，所述第二连接层远离所述骨架层的一侧与所述晶圆连接。

可选地，所述第一连接层包括第一金属，所述第二连接层包括第二金属；所述骨架层包括第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物，所述第三金属或所述第四金属或所述第三金属与第四金属的混合物在所述骨架层中形成孔隙。

可选地，所述第一金属与所述第二金属材料相同或不同，包括银或铜中的至少一种或银或铜的复合金属材料；所述第三金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料；所述第四金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料。

可选地，所述金属电极包括层叠设置的第一电极层、第二电极层和第三电极层，所述第一电极层、所述第二电极层、所述第三电极层中的至少一层为多孔结构。

可选地，所述第二电极层为多孔结构，所述第二电极层的孔隙率小于10%。

可选地，所述金属电极为阳极电极、门极电极或阴极电极。

可选地，所述晶圆的第一面设有所述金属电极，所述金属电极通过第一热界面材料层和所述第一面连接。

可选地，沿所述金属电极的径向方向，所述金属电极的侧壁向所述金属电极的中心的方向凹进，或者，所述金属电极的侧壁向远离所述金属电极的中心的方向凸起。

可选地，所述晶圆的第二面设有所述金属电极，所述金属电极和所述第二面连接。

本公开的第二方面功率半导体器件的制作方法，包括以下步骤：

提供金属电极；

在所述金属电极上形成热界面材料层；

提供晶圆，所述晶圆包括和所述金属电极对应的区域；

将所述金属电极转移到所述晶圆上，所述金属电极设置在与其对应的区域，所述热界面材料层设置在所述金属电极和所述晶圆之间；

在第一工艺条件下处理所述金属电极和所述晶圆，以使所述热界面材料层和所述金属电极的接触界面形成连续相结构，所述热界面材料层和所述晶圆的接触界面形成连续相结构，所述金属电极和所述晶圆通过所述热界面材料层连接。

可选地，所述连续相结构包括烧结、焊接中的至少一种连接方式。

可选地，所述在所述金属电极上形成热界面材料层，包括：

在金属电极上依次形成第一连接层、骨架层和第二连接层，所述第一连接层包括第一金属，所述第二连接层包括第二金属，所述骨架层包括第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物，所述第三金属或所述第四金属或所述第三金属与第四金属的混合物在所述骨架层中形成孔隙；

在所述第一工艺条件下，所述骨架层和所述第一连接层的接触界面形成连续相结构，所述骨架层和所述第二连接层连接，所述第二连接层和所述骨架层的接触界面形成连续相结构。

可选地，所述第一金属与所述第二金属材料相同或不同，包括银或铜中的至少一种或银或铜的复合金属材料；所述第三金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料；所述第四金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料。

可选地，所述金属电极为阳极电极、门极电极或阴极电极；

所述金属电极包括层叠设置的第一电极层、第二电极层和第三电极层，所述第一电极层、所述第二电极层、所述第三电极层中的至少一层为多孔结构。

可选地，所述第一工艺条件包括：

压力≤30MPa，温度≤250℃。

（三）有益效果

本公开的功率半导体器件及其制作方法具有如下有益效果：

本公开的功率半导体器件的金属电极和晶圆通过热界面材料层连接替代刚性压接连接，能够降低金属电极和晶圆之间的接触热阻，降低功率半导体器件的接触热阻，有利于提升功率半导体器件的通流能力；同时，金属电极和晶圆通过热界面材料层连接能够降低金属电极和晶圆的机械压力，降低功率半导体器件的机械损伤的风险，提高功率半导体器件的可靠性。

本公开的功率半导体器件的制作方法，在金属电极上形成热界面材料层，然后处理金属电极和晶圆以使金属电极和晶圆通过热界面材料层连接，降低了金属电极和晶圆之间的机械压力，降低金属电极和晶圆之间的接触热阻，提升了功率半导体器件的通流能力。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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为示例性相关方案中提供的IGCT器件的结构的爆炸图。

图2为示例性实施例中提供的功率半导体器件的结构示意图。

图3-1为示例性实施例中提供的热界面材料层的结构示意图。

图3-2为示例性实施例中提供的热界面材料层的结构示意图。

图4为示例性实施例中提供的金属电极的结构示意图。

图5为示例性实施例中提供的作为阳极电极的金属电极的结构示意图。

图6为示例性实施例中提供的作为阴极电极的金属电极的结构示意图。

图7为示例性实施例中提供的作为门极电极的金属电极的结构示意图。

图8为示例性实施例中提供的功率半导体器件的结构示意图。

图9为示例性实施例中提供的功率半导体器件的第二面的一侧的俯视图。

图10为示例性实施例中提供的功率半导体器件的制作方法的流程图。

附图标记：

10、晶圆；101、第一面；102、第二面；20、金属电极；120、阳极电极；121、第一阳极层；122、第二阳极层；123、第三阳极层；220、阴极电极；221、第一阴极层；222、第二阴极层；223、第三阴极层；320、门极电极；321、第一门极层；322、第二门极层；323、第三门极层；30、热界面材料层；31、第一连接层；32、中间层；33、第二连接层；130、第一热界面材料层；230、第二热界面材料层；330、第三热界面材料层；150、第一镀层；250、第二镀层；350、第三镀层；360、绝缘层；

901’、管座；902’、门极辐条；903’、第一垫片；904’、第一弹性片；905’、第二弹性片；906’、第二垫片；907’、门极绝缘座；908’、门极垫片；909’、门极电极；910’、阴极电极；911’、晶圆；912’、阳极电极；913’、绝缘套；914’、管壳上盖。

具体实施方式

为了便于理解本公开，下面将参照相关附图对本公开进行更全面的描述。附图中给出了本公开的首选实施例。但是，本公开可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本公开的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本公开的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开。

这里参考作为本公开的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本公开的范围。

GCT器件主要由GCT元件以及与之引出电极相连接的驱动电路板组成。GCT元件是IGCT器件的核心部件，GCT元件由半导体芯片和封装管壳构成，图1为相关方案中IGCT器件中GCT元件的爆炸视图，如图1所示，GCT元件主要包括管座901’、门极辐条902’、第一垫片903’、第一弹性片904’、第二弹性片905’、第二垫片906’、门极绝缘座907’、门极垫片908’、门极电极909’、阴极电极910’、晶圆911’、阳极电极912’、绝缘套913’以及管壳上盖914’，上述所有部件的通过刚性压接实现电气连接。

相关方案中，GCT元件中零部件压力接触导致接触热阻大，接触热阻占IGCT器件热阻的60%左右，极大程度限制IGCT器件通流能力，尤其是阳极电极912’、门极电极909’、阴极电极910’与晶圆911’刚性压接产生的接触电阻，对GCT元件的接触热阻大的影响极大。且从工艺来看，刚性压接工艺对部件的加工精度要求较高，刚性压接造成器件机械损伤的风险大。并且，刚性压接的封装方式，晶圆的边缘被绝缘硅胶覆盖无法与金属电极直接接触，散热性能比其它区域差，可能造成晶圆表面温度分布不均匀，成为潜在的失效薄弱点。

鉴于此，本公开提供了一种功率半导体器件及其制作方法，功率半导体器件包括晶圆、金属电极和热界面材料层，热界面材料层设置在金属电极和晶圆之间，金属电极和晶圆通过热界面材料层连接，热界面材料层和金属电极的接触界面形成连续相结构，热界面材料层和晶圆的接触界面形成连续相结构。本公开的功率半导体器件改变了金属电极和晶圆的连接方式，金属电极和晶圆通过热界面材料层连接替代刚性压接连接，能够降低金属电极和晶圆之间的接触热阻，从而降低功率半导体器件的接触热阻，有利于提升功率半导体器件的通流能力，同时，金属电极和晶圆通过热界面材料层连接还能够降低金属电极和晶圆的机械压力，降低功率半导体器件的机械损伤的风险，提高功率半导体器件的可靠性。

图2为功率半导体器件的结构示意图。如图2所示，功率半导体器件包括：晶圆10、金属电极20和热界面材料层30。热界面材料层30设置在金属电极20和晶圆10之间，金属电极20和晶圆10通过热界面材料层30连接，热界面材料层30和金属电极20的接触界面形成连续相结构，热界面材料层30和晶圆10的接触界面形成连续相结构。

热界面材料层30与金属电极20之间的连续相结构为无界面连接结构，可以包括烧结、冶金（比如焊接）等中的至少一种连接方式。使得金属电极20和晶圆10通过热界面材料层30连接成整体。

金属电极20可以包括阳极电极120、阴极电极220和门极电极320中的至少一种，金属电极20设置在晶圆10的第一面101和/或第二面102，并通过热界面材料层30和晶圆10和第一面101和/或第二面102连接。也即本公开的功率半导体器件的阳极电极120、阴极电极220和门极电极320中的至少一种通过热界面材料层30和晶圆10连接，形成的无界面连接结构，可降低功率半导体器件的接触热阻，从而提高其通流能力。

热界面材料层30设置在金属电极20和晶圆10之间，热界面材料层30的材料包括一种或多种金属材料。

本实施例提供的功率半导体器件，金属电极和晶圆通过热界面材料层连接替代刚性压接连接，降低金属电极和晶圆之间的接触热阻，从而降低功率半导体器件的接触热阻，有利于提升功率半导体器件的通流能力，同时，金属电极和晶圆通过热界面材料层连接还能够降低金属电极和晶圆的机械压力，降低功率半导体器件的机械损伤的风险，提高功率半导体器件的可靠性。

图3-1为热界面材料层的示意结构。如图2、图3-1所示，热界面材料层30设置在金属电极20和晶圆10之间。热界面材料层30的一侧与晶圆10的一侧连接，热界面材料层30的另一侧与金属电极20的一侧连接。热界面材料层30与金属电极20之间的连续相结构为无界面连接相结构，可以包括烧结、冶金（比如焊接）等中的至少一种连接方式。使得金属电极20和晶圆10通过热界面材料层30连接成整体。热界面材料层30的材料包括一种或多种金属材料。金属材料可以包括不同致密性、不同粒径的金属材料组合，使得热界面材料层30具有一定孔隙度和致密性，可以使热界面材料层30与金属电极20和晶圆10的无界面连接，降低接触热阻的同时，具备热应力分散能力，进一步提高器件可靠性。

图3-2为热界面材料层的示意结构。如图2、图3-2所示，热界面材料层30包括依次设置在金属电极20和晶圆10之间的第一连接层31、骨架层32和第二连接层33。第一连接层31的一侧与金属电极20连接；骨架层32与第一连接层31远离金属电极20的一侧连接，骨架层32和第一连接层31的接触界面形成连续相结构；第二连接层33与骨架层31远离第一连接层31的一侧连接，第二连接层33和骨架层32的接触界面形成连续相结构，第二连接层33远离骨架层32的一侧与晶圆10连接。

如图3-2所示，第一连接层31包括第一金属，第二连接层33包括第二金属；第一金属与第二金属为致密性较高的金属材料，示例的，第一金属、第二金属的密度为8g/cm³-11³g/cm³，第一金属与第二金属可以相同，也可以不同；第一金属与第二金属可以包括银或铜中的至少一种或银或铜的复合金属材料。如此，第一连接层31和第二连接层33的材料具有高导热率、较低的熔点、高稳定性。本实施例中，第一连接层31、第二连接层33的材料包括银。

可以理解的是，本实施例的热界面材料层30的第一连接层31中包括第一金属，在其他实施方式中，第一连接层31也可以包括第一金属和第二金属形成的合金；同样的，在其他实施方式中，第二连接层33中也可以包括第一金属，第二连接层33包括第一金属和第二金属形成的合金，第二连接层33中的第一金属和第二金属结合能够避免第一金属向晶圆10中扩散，从而降低晶圆10短路或开路失效的风险。

如图3-2所示，骨架层32包括第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物，骨架层32中的第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物在骨架层32中形成孔隙；所述第三金属或第四金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料。本实施例中，骨架层32的材料包括钯。

本实施例的热界面材料层30，骨架层32和第一连接层31的接触界面形成无界面连接相结构，骨架层32和第二连接层33的接触界面形成无界面连续相结构。无界面连接相结构可以包括烧结、冶金（比如焊接）等中的至少一种连接方式，连接成整体。

本实施例的骨架层32为疏松多孔结构，骨架层32能够消除在烧结过程中产生的部分应力，提高热界面材料层30的结构稳定性和可靠性。

在一些实施例中，如图3所示，热界面材料层30中第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物的金属含量为5wt%-15wt%。比如，热界面材料层30中第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物的金属含量可以为5wt%、6wt%、7wt%、9wt%、10wt%、11wt%、13wt%或15wt%。

在一些实施例中，热界面材料层30的厚度为50μm-100μm，其中，第一连接层31的厚度为15μ-20μm，骨架层32的厚度10μm-15μm，第二连接层33的厚度为15μ-20μm。比如，第一连接层31的厚度可以为15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm；骨架层32的厚度可以为10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm；第二连接层33的厚度可以为15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm。

在一些实施例中，金属电极20为阳极电极、门极电极或阴极电极。

图4为金属电极20的结构示意图。如图4所示，金属电极20包括层叠设置的第一电极层21、第二电极层22和第三电极层23，第一电极层21、第二电极层22、第三电极层23中的至少一层为多孔结构。多孔结构能够增加金属电极20的弹性，有利于释放功率半导体器件的零部件间的部分机械应力，同时多孔结构能够增加金属电极20的热导率，能够进一步降低功率半导体器件的零部件之间的接触热阻，提升功率半导体器件的通流能力。

第一电极层21的材料、第三电极层23的材料包括钼，第二电极层22的材料包括铜；第二电极层22为多孔结构，第二电极层22的孔隙率小于10%。如此，既能确保金属电极20具有良好的导电性，还能增加金属电极20的热导率，同时，金属电极20具有弹性，能够降低功率半导体器件的零部件间的机械应力对晶圆10的机械损伤。

图8为功率半导体器件的结构示意图。如图8所示，功率半导体器件包括晶圆10，晶圆10包括相对设置的第一面101和第二面102，晶圆10的第一面101设置有阳极区域。晶圆10的第一面101设有金属电极20，金属电极20通过第一热界面材料层130和第一面101连接。第一热界面材料层130和金属电极20的接触界面形成连续相结构，第一热界面材料层130和晶圆10的第一面101的接触界面形成连续相结构。

本实施例中，参照图8，第一面101的整面作为阳极区域，设于第一面101的金属电极20为阳极电极120。

金属电极20和第一面101通过第一热界面材料层130连接，消除了金属电极20和晶圆10表面的接触热阻，降低了金属电极20和晶圆10之间的机械压力，减小了金属电极20和晶圆10的工作机械压力，降低了功率半导体器件机械损伤的风险，提高了功率半导体器件的可靠性，能够提高功率半导体器件的通流能力；金属电极20和晶圆10通过第一热界面材料层130连接的方式，可以将第一面101的阳极电极的尺寸设置的更大，金属电极20（阳极电极）可以和晶圆10的第一面101具有相同的尺寸，金属电极20和晶圆10的接触面积达到最大，进一步提高功率半导体器件的散热能力，增加了晶圆10表面温度的均匀性，有利于进一步提升功率半导体器件的通流能力。

在一些实施例中，如图5、图8所示，沿金属电极20的径向方向，金属电极20的侧壁向金属电极20的中心的方向凹进，或者，金属电极20的侧壁向远离金属电极20的中心的方向凸起。如此，在不影响金属电极20和晶圆10的接触面积的同时，增加金属电极20的散热面积，增加金属电极20的散热能力。功率半导体器件在封装时，金属电极20的侧壁与绝缘胶的接触面积更大，金属电极20的散热效果更好。

可以理解的是，本实施例中金属电极20的侧壁向内凹进或向外凸起的目的是为了增大散热面积，增大金属电极20与绝缘胶的接触面积，本实施例中对金属电极20向内凹进或向外突出的尺寸不作限制，金属电极20的侧壁可以局部向内凹进或向外凸起，或者，金属电极20的周面的整个侧壁可以均向内凹进或向外凸起，以能够实现增大金属电极20的侧壁的面积即可。

在一个优选实施例中，金属电极20的侧壁可以设置多个向内凹进的凹部和/或多个向外凸出的凸部，比如，凸部和凹部可以沿金属电极20的周面交替间隔设置，在金属电极20的侧壁形成锯齿状的形貌，如此，凸部和凹部交替设置进一步增大金属电极20的侧壁的面积，增大金属电极20的散热面积，增大金属电极20后续和绝缘胶的接触面积。

如图8所示，本实施例的功率半导体器件，晶圆10的第二面102也设有金属电极20，金属电极20和第二面102连接。其中，第二面102也设有热界面材料层30，金属电极20通过热界面材料层30与第二面102连接。

本实施例中，第二面102设有间隔设置的阴极区域和门极区域。第二面102的阴极区域和门极区域各设有金属电极20，设于阴极区域的金属电极20为阴极电极220，设于门极区域的金属电极20为门极电极320。阴极区域上的金属电极20通过第二热界面材料层30与阴极区域连接，门极区域上的金属电极20通过第三热界面材料层330与门极区域连接。

在其他实施例中，阴极电极220可以通过刚性压接的方式和晶圆10的第二面102连接在一起，比如，阴极电极220可以通过刚性压接的方式设置在阴极区域上。门极电极320可以采用其他方式和晶圆10的第二面102连接，比如，门极电极320可以通过刚性压接的方式设置在门极区域上。

参照图9所示，阴极电极220、门极电极320为同心设置的环状结构，功率半导体器件可以包括多个阴极电极220，门极电极230可以设置在多个阴极电极220的中心处，或者，门极电极230可以设置在多个阴极电极220的中心处最外周，或者参照图9，门极电极230可以设置多个阴极电极220之间。

在本实施例中，门极电极320的侧壁设置有绝缘层360，绝缘层360用于避免门极电极320和阴极电极220短接发生导通，能够提高功率半导体器件的安全性和电性能。

相对于相关技术中功率半导体器件中零部件通过压接连接的方案，本实施例的功率半导体器件，阳极电极、阴极电极、门极电极均通过具有高导热性的热界面材料层和晶圆连接在一起，更大程度的降低了阳极电极、阴极电极、门极电极和晶圆表面的接触热阻，功率半导体器件的接触热阻降低10%-15%，更大程度的提高了功率半导体器件的通流能力。

同时，本实施例中采用热界面材料层连接替代压接连接，可以在整晶圆上集成阳极电极、阴极电极、门极电极，并以晶圆的第一面的正面作为阳极区域与阳极电极连接，不仅增大了晶圆的散热面积，还增大了阳极电极和晶圆的接触面积，提高了晶圆表面温度的均匀性，有利于进一步提高功率半导体器件的工作性能。

本公开示例性的实施例中提供一种功率半导体器件的制作方法，如图10所示，图10示出了根据本公开一示例性的实施例提供的功率半导体器件的制作方法的流程图，本实施例对功率半导体器件不作限制，下面将以功率半导体器件为集成门极换流晶闸管（IGCT）为例进行介绍，但本实施例并不以此为限，本实施例中的功率半导体器件还可以为其他的结构。

如图10所示，本公开一示例性的实施例提供的一种功率半导体器件的制作方法，包括如下的步骤：

步骤S11：提供金属电极。

步骤S12：在金属电极上形成热界面材料层。

步骤S13：提供晶圆，晶圆包括和金属电极对应的区域。

步骤S14：将金属电极转移到晶圆上，金属电极设置在与其对应的区域，热界面材料层设置在金属电极和晶圆之间。

步骤S15：在第一工艺条件下处理金属电极和晶圆，以使热界面材料层和金属电极的接触界面形成连续相结构，热界面材料层和晶圆的接触界面形成连续相结构，金属电极和晶圆通过热界面材料层连接。

在步骤S11中，参照图2所示，金属电极20可以为阳极电极120、阴极电极220或门极电极320中的一种。金属电极20包括层叠设置的第一电极层21、第二电极层22和第三电极层23，第一电极层21、第二电极层22和第三电极层23的至少一层为多孔结构。

在一个示例中，第二电极层22为多孔结构。

本实施例中可以采用3D打印技术制作金属电极20。

在步骤S12中，本实施例中，参照图2所示，在金属电极20上形成热界面材料层30，采用以下实施方式：

参照图2、图3所示，在金属电极20上依次形成第一连接层31、骨架层32和第二连接层33，第一连接层31包括第一金属，第二连接层33包括第二金属，骨架层32包括第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物，第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物在骨架层32中形成孔隙。

在本实施例中，第一金属与第二金属材料相同或不同，包括银或铜中的至少一种或银或铜的复合金属材料；第三金属与第四金属不同，第三金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料；第四金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料。

具体的，本实施例中，参照图2、图3所示，在金属电极20上沉积银颗粒形成第一连接层31，银颗粒的直径为50nm-1μm，第一连接层31的厚度为15-20μm。然后，在第一连接层31上沉积形成钯颗粒形成骨架层32，钯颗粒的直径为100nm-10μm，骨架层32的厚度为10μm-15μm。本实施例利用钯颗粒的直径较大的特点，钯颗粒在骨架层32中堆积形成空隙，以使形成的骨架层32为网状结构。

接着，在骨架层32上沉积银颗粒形成第二连接层33，银颗粒的直径为50nm-1μm，第二连接层33的厚度为15-20μm。

本实施例中，热界面材料层30中第二金属的含量为5wt%-15wt%。比如，热界面材料层30中第二金属的含量可以为5wt%、6wt%、7wt%、9wt%、10wt%、11wt%、13wt%或15wt%。

本实施例中，热界面材料层30包括层叠的三层结构，底层的第一连接层31包括第一金属，顶层的第二连接层33的材料包括第二金属，中间的骨架层32包括疏松的，第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物（钯、铜或金中的至少一种），如此，热界面材料层30在烧结处理后（后续步骤中会进行详细说明），骨架层32中的部分，第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物和第一连接层31中的部分第一金属结合成合金，第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物和第二连接层32中的部分第二金属结合成合金，能够避免第一金属和/或第二金属向金属电极20或晶圆10中迁移影响功率半导体器件的性能。

在步骤S13中，参照图2所示，本实施例中提供的晶圆10为半导体晶圆，比如，晶圆10可以为硅晶圆。晶圆10的第一面101和/或第二面102设置有和金属电极20对应的区域。

在步骤S14中，参照图2所示，将热界面材料层30朝向晶圆10，将金属电极20设置在晶圆10上，热界面材料层30设置在金属电极20和晶圆10之间。

在步骤S15中，参照图2所示，在第一工艺条件下对金属电极20和晶圆30进行烧结、冶金（比如焊接）处理，在第一工艺条件下，第一连续相结构包括烧结、焊接中的至少一种连接方式。

连接层31和金属电极20连接，第一连接层31和金属电极20的接触界面形成连续相结构，第二连接层33和晶圆10连接，第二连接层33和晶圆10的接触界面形成连续相结构，骨架层32和第一连接层31连接，骨架层32和第一连接层31的接触界面形成连续相结构，骨架层32和第二连接层33连接，第二连接层33和骨架层32的接触界面形成连续相结构。

第一工艺条件的压力≤30MPa，温度≤250℃。

具体的，第一工艺条件的压力≤30MPa时，可以实现将烧结环境中的气体较快地扩散到热界面材料层30中，有利于缩短处理时间，同时能够防止压力太高损伤晶圆10或金属电极20。第一工艺条件的温度≤250℃，能够降低温度应力，避免处理金属电极20和晶圆10的温度太高造成晶圆10热损伤。

本实施例的功率半导体器件的制作方法，通过在金属电极上形成热界面材料层，然后采用烧结工艺处理金属电极和晶圆，以使金属电极和晶圆通过热界面材料层连接，降低了金属电极和晶圆之间的机械压力，减小了金属电极和晶圆之间的接触热阻，提升了功率半导体器件的通流能力。

在一些实施例中，在步骤S15之后，还执行了以下步骤：对晶圆10进行倒角处理，然后向晶圆10表面注入绝缘胶，绝缘胶包覆晶圆10和晶圆10上的金属电极20。接着，将绝缘胶包覆后的晶圆10和金属电极20和其他零部件组合封装，共同形成功率半导体器件。

根据一示例性实施例，功率半导体器件的制作方法包括以下步骤：

首先，提供一金属电极20作为阳极电极120，参照图5所示，阳极电极120包括层叠设置的第一阳极层121、第二阳极层122和第三阳极层123，第一阳极层121、第二阳极层122和第三阳极层123中的至少一层为多孔结构。

参照图5，采用3D打印技术形成第一阳极层121，第一阳极层121的材料包括钼。然后，采用3D打印技术在第一阳极层121上形成第二阳极层122，第二阳极层122的材料包括疏松的金属铜，第二阳极层122的孔隙率＜10%。接着，采用3D打印技术在第二阳极层122上形成第三阳极层123，第三阳极层123的材料包括钼。第一阳极层121、第二阳极层122和第三阳极层123共同形成阳极电极120。本实施例形成的阳极电极120具有良好的导电性，同时第二阳极层122的多孔结构能够增加阳极电极120的弹性，第二阳极层122能够释放功率半导体器件中的部分机械应力。

在一些实施例中，在形成阳极电极120之后，对阳极电极120的侧壁进行处理，以使沿阳极电极120的径向方向，阳极电极120的侧壁向阳极电极120的中心的方向凹进，或者，阳极电极120的侧壁向远离阳极电极120的中心的方向凸起，以保证阳极电极120和晶圆10具有最大的接触面积的同时，增加阳极电极120的侧壁的面积，增加阳极电极120的散热面积，能够提高阳极电极120的散热能力，从而，进一步提高形成的功率半导体器件的散热能力，提升功率半导体器件的通流能力。

然后，在阳极电极120的表面形成第一热界面材料层130。

参照图3、图8，采用3D打印技术在阳极电极120上沉积银颗粒形成第一连接层，银颗粒的直径为50nm-1μm，第一连接层的厚度15μm-20μm。采用3D打印技术在第一连接层上沉积钯颗粒形成中间层，钯颗粒的直径为100nm-10μm，中间层的厚度10μm-15μm。采用3D打印技术在中间层上沉积银颗粒形成第二连接层，银颗粒的直径为50nm-1μm，第二连接层的厚度15μm-20μm，第一连接层、中间层和第二连接层在阳极电极120上形成第一热界面材料层130。

其中，第一热界面材料层130中钯颗粒的含量为5wt%-15wt%。比如，第一热界面材料层130中钯颗粒的含量可以为5wt%、6wt%、7wt%、9wt%、10wt%、11wt%、13wt%或15wt%。

中间层的钯颗粒的直径比第一连接层、第二连接层中的银颗粒的直径大，钯颗粒堆积在第一连接层、第二连接层之间在中间层中形成结构间隙，也即中间层为多孔结构，如此，能够释放烧结过程中的应力，提高第一热界面材料层130的可靠性。

本实施例中，在形成阳极电极之后，还执行了以下步骤：

参照图8，采用3D打印技术在阳极电极120上形成第一镀层150，第一镀层150的厚度1μm-5μm，第一镀层150的材料包括银。第一镀层150设置在阳极电极120远离第一热界面材料层130的一侧，也即，第一镀层150和第一热界面材料层130相对设置在阳极电极120的两侧。为了节约制程步骤，第一镀层150可以和第一热界面材料层130的第一连接层同时形成，或者，第一镀层150可以和第一热界面材料层130的第二连接层同时形成。

然后，将阳极电极120设置在晶圆10的阳极区域上，阳极区域位于晶圆10的第一面101，第一热界面材料层130设置在阳极电极120和第一面101之间。

本实施例中，参照图8，以晶圆10的第一面101的整面作为阳极区域，阳极电极120和晶圆10的第一面101具有相同的形状和尺寸，如此，阳极电极120设置在晶圆10的第一面101上和晶圆10的接触面积最大，更大程度的提高了晶圆10的表面温度的均匀性，更大程度的提高功率半导体器件的散热效率。

接着，在第一工艺条件下处理阳极电极120和晶圆10，以使第一热界面材料层130和阳极电极120的接触界面形成连续相结构，第一热界面材料层130和第一面101的接触界面形成连续相结构，阳极电极120和第一面101通过第一热界面材料层130连接。

参照图8，在第一工艺条件下对阳极电极120和晶圆10进行烧结处理，第一工艺条件的烧结压力≤30MPa，烧结温度≤250℃，以使阳极电极120通过第一热界面材料层130和晶圆10的第一面101连接。其中，烧结处理可以进行一次，也可以根据烧结条件进行多次。

本实施例形成的功率半导体器件，阳极电极和晶圆通过第一热界面材料层连接，降低了阳极电极和晶圆之间的接触热阻，减小了功率半导体器件中零部件之间的机械压力，避免刚性压接损伤阳极电极和/或晶圆，提升了功率半导体器件的可靠性。

本实施例形成的功率半导体器件，阳极电极远离晶圆的一侧的表面形成的有第一镀层，第一镀层具有良好的导电性，如此，可以通过第一镀层能够降低阳极电极和其他零部件（比如管壳铜电极）之间的接触电阻/热阻。示例的，第一镀层的材料包括银。

本实施例形成的功率半导体器件，阳极电极向内凹进或向外凸起，对功率半导体器件注入绝缘胶封装之后，阳极电极的侧壁和晶圆边缘的绝缘胶的接触面积更大，增大了阳极电极的散热面积，能够进一步提高阳极电极的散热效率，还能保证阳极电极和绝缘胶连接的更加紧密，提高封装结构的结构稳定性。

根据一示例性实施例，本实施例的功率半导体器件的制作方法，还执行了以下步骤：

提供一金属电极20作为阴极电极220，参照图6，本实施例中作为的阴极电极220包括依次层叠的第一阴极层221、第二阴极层222和第三阴极层223，第一阴极层221和第三阴极层223的材料包括钼，第二阴极层222的材料暴露疏松的金属铜，第二阴极层222的孔隙率＜10%。

在阴极电极220的表面形成第二热界面材料层230。用3D打印技术在阴极电极220上形成第二热界面材料层230，第二热界面材料层230包括依次设置在阴极电极220上的第一连接层、中间层和第二连接层。

参照图8，采用3D打印技术在阴极电极220上形成第二镀层250，第二镀层250的厚度1μm-5μm，第二镀层250的材料包括银。第二镀层250设置在阴极电极220远离第二热界面材料层230的一侧，第二镀层250可以和第二热界面材料层230的第一连接层同时形成，或者，第二镀层250可以和第二热界面材料层230的第二连接层同时形成。

参照图8，将阴极电极220设置在晶圆10的阴极区域上，其中，阴极区域设置在和晶圆10的第一面101相对设置的晶圆10的第二面102。第二热界面材料层230设置在阴极电极220和第二面102之间。

继续参照图8，第一工艺条件下对阴极电极220和晶圆10进行烧结处理，第一工艺条件的烧结压力≤30MPa，烧结温度≤250℃，以使阴极电极220通过第二热界面材料层230和晶圆10的第二面102连接。其中，烧结处理可以进行一次，也可以根据烧结条件进行多次。

本实施例形成的功率半导体器件，阴极电极和晶圆通过第二热界面材料层连接，降低了阴极电极和晶圆之间的接触热阻，减小了功率半导体器件中零部件之间的机械压力，避免刚性压接损伤阴极电极和/或晶圆，提升了功率半导体器件的可靠性。

根据一示例性实施例，本实施例的功率半导体器件的制作方法，还执行了以下步骤：

参照图7，提供一金属电极20作为门极电极320。门极电极320包括依次层叠的第一门极层321、第二门极层322和第三门极层323，第一门极层321和第三门极层323的材料包括钼，第二门极层322的材料暴露疏松的金属铜，第二门极层322的孔隙率＜10%。

参照图3、图7、图8，用3D打印技术在门极电极320上形成第三热界面材料层330，形成第三热界面材料层330的实施方式和形成第一热界面材料层130的实施方式相同，在此不再赘述。

用3D打印技术在门极电极320上形成第三镀层350，第三镀层350的厚度1μm-5μm，第三镀层350的材料包括银。第三镀层350设置在门极电极320远离第三热界面材料层330的一侧。

参照图7、图8，在门极电极320的侧壁涂覆绝缘材料形成绝缘层360，绝缘层360的材料可以包括聚酰亚胺等。如此，门极电极320和阴极电极220均和晶圆10的第二面102连接，绝缘层360覆盖门极电极320的侧壁，能够避免门极电极320和阴极电极22短接发生导通，提高了功率半导体器件的安全性和电性能。

参照图8，将门极电极320设置在晶圆10的门极区域上，第三热界面材料层330设置在门极电极320和第二面102之间。其中，门极区域设置在晶圆10的第二面102，且门极区域和阴极区域在10的第二面102间隔设置。

参照图8，在第一工艺条件下对门极电极320和晶圆10进行烧结处理，第一工艺条件的烧结压力≤30MPa，烧结温度≤250℃，以使门极电极320通过第三热界面材料层330和晶圆10的第二面102连接。其中，烧结处理可以进行一次，也可以根据烧结条件形成多次。

本实施例形成的功率半导体器件，门极电极和晶圆通过第二热界面材料层连接，降低了门极电极和晶圆之间的接触热阻，减小了功率半导体器件中零部件之间的机械压力，避免刚性压接损伤门极电极和/或晶圆，提升了功率半导体器件的可靠性。

根据一示例性实施例，本实施例不构成对上述实施例的限制，本实施例是对上述实施例的功率半导体器件的制作方法的进一步说明，在一些实施例中，参照图8，将阴极电极220和门极电极320分别对应设置在晶圆10的第二面102的阴极区域和门极区域之后，在第一工艺条件下，对阴极电极220、门极电极320和晶圆10进行烧结处理，以使阴极电极220通过第二热界面材料层230和晶圆10的第二面102连接，门极电极320通过第三热界面材料层330和晶圆10的第二面102连接。如此，节省了一次烧结的步骤，精简了制作工序，有利于提高产品良率以及降低生产成本。

在一些实施例中，将门极电极320和晶圆10连接之后，还执行了以下步骤：对晶圆10进行倒角处理，然后向晶圆10表面注入绝缘胶（图中未示出），绝缘胶包覆晶圆10和晶圆10上的阳极电极120、阴极电极220和门极电极320。接着，将绝缘胶包覆后的结构和其他结构组合封装，共同形成功率半导体器件。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本公开的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本公开的保护范围。因此，本公开专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (18)

1.一种功率半导体器件，其特征在于，包括：

晶圆；

金属电极；

热界面材料层，所述热界面材料层设置在所述金属电极和所述晶圆之间，所述金属电极和所述晶圆通过所述热界面材料层连接，所述热界面材料层和所述金属电极的接触界面形成连续相结构，所述热界面材料层和所述晶圆的接触界面形成连续相结构。

2.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述连续相结构包括烧结、焊接中的至少一种连接方式。

3.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述热界面材料层包括一种或多种金属材料。

4.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述热界面材料层包括：

第一连接层，所述第一连接层的一侧与所述金属电极连接；

骨架层，所述骨架层与所述第一连接层远离所述金属电极的一侧连接，所述骨架层和所述第一连接层的接触界面形成连续相结构；

第二连接层，所述第二连接层与所述骨架层远离所述第一连接层的一侧连接，所述第二连接层和所述骨架层的接触界面形成连续相结构，所述第二连接层远离所述骨架层的一侧与所述晶圆连接。

5.根据权利要求4所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一连接层包括第一金属，所述第二连接层包括第二金属；所述骨架层包括第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物，所述第三金属或所述第四金属或所述第三金属与第四金属的混合物在所述骨架层中形成孔隙。

6.根据权利要求5所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第一金属与所述第二金属材料相同或不同，包括银或铜中的至少一种或银或铜的复合金属材料；所述第三金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料；所述第四金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料。

7.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其特征在于，所述金属电极包括层叠设置的第一电极层、第二电极层和第三电极层，所述第一电极层、所述第二电极层、所述第三电极层中的至少一层为多孔结构。

8.根据权利要求7所述的功率半导体器件，其特征在于，所述第二电极层为多孔结构，所述第二电极层的孔隙率小于10%。

9.根据权利要求7所述的功率半导体器件，其特征在于，所述金属电极为阳极电极、门极电极或阴极电极。

10.根据权利要求9所述的功率半导体器件，其特征在于，所述晶圆的第一面设有所述金属电极，所述金属电极通过第一热界面材料层和所述第一面连接。

11.根据权利要求10所述的功率半导体器件，其特征在于，沿所述金属电极的径向方向，所述金属电极的侧壁向所述金属电极的中心的方向凹进，或者，所述金属电极的侧壁向远离所述金属电极的中心的方向凸起。

12.根据权利要求10所述的功率半导体器件，其特征在于，所述晶圆的第二面设有所述金属电极，所述金属电极和所述第二面连接。

13.一种功率半导体器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供金属电极；

在所述金属电极上形成热界面材料层；

提供晶圆，所述晶圆包括和所述金属电极对应的区域；

将所述金属电极转移到所述晶圆上，所述金属电极设置在与其对应的区域，所述热界面材料层设置在所述金属电极和所述晶圆之间；

在第一工艺条件下处理所述金属电极和所述晶圆，以使所述热界面材料层和所述金属电极的接触界面形成连续相结构，所述热界面材料层和所述晶圆的接触界面形成连续相结构，所述金属电极和所述晶圆通过所述热界面材料层连接。

14.根据权利要求13所述的功率半导体器件的制作方法，其特征在于，所述连续相结构包括烧结、焊接中的至少一种连接方式。

15.根据权利要求13所述的功率半导体器件的制作方法，其特征在于，所述在所述金属电极上形成热界面材料层，包括：

在金属电极上依次形成第一连接层、骨架层和第二连接层，所述第一连接层包括第一金属，所述第二连接层包括第二金属，所述骨架层包括第三金属或第四金属或第三金属与第四金属的混合物，所述第三金属或所述第四金属或所述第三金属与第四金属的混合物在所述骨架层中形成孔隙；

在所述第一工艺条件下，所述骨架层和所述第一连接层的接触界面形成连续相结构，所述骨架层和所述第二连接层连接，所述第二连接层和所述骨架层的接触界面形成连续相结构。

16.根据权利要求15所述的功率半导体器件的制作方法，其特征在于，所述第一金属与所述第二金属材料相同或不同，包括银或铜中的至少一种或银或铜的复合金属材料；所述第三金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料；所述第四金属包括钯、铜或金中的至少一种，或钯、铜或金的复合金属材料。

17.根据权利要求13所述的功率半导体器件的制作方法，其特征在于，所述金属电极为阳极电极、门极电极或阴极电极；

所述金属电极包括层叠设置的第一电极层、第二电极层和第三电极层，所述第一电极层、所述第二电极层、所述第三电极层中的至少一层为多孔结构。

18.根据权利要求13所述的功率半导体器件的制作方法，其特征在于，所述第一工艺条件包括：

压力≤30MPa，温度≤250℃。