專利名稱：功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種具多個字于基材上的半導(dǎo)體組件的功率半導(dǎo)體模塊。
此型式的模塊被揭示于如德國專利39 06 690 A1、德國專利199 42915 A1、德國專利197 07 514 A1及日本專利2001118987。
例如，于德國專利199 42 915 A1揭示的功率半導(dǎo)體模塊的情況下，多個功率半導(dǎo)體被以列緊鄰排列于絕緣及熱傳導(dǎo)載具(基材)的頂部側(cè)。該功率半導(dǎo)體藉由經(jīng)由形成于該相同頂部側(cè)的金屬導(dǎo)體軌跡的接觸區(qū)域而被電連接，及可以此方式驅(qū)動。
同樣地該基材的金屬如銅涂覆，底面藉由電傳導(dǎo)壓塊被壓在散熱器，在該功率半導(dǎo)體模塊的操作期間以熱型式發(fā)生的熱損失由這些裝置消散。為確保熱的有效消散或低的熱傳阻力及因而該功率半導(dǎo)體模塊的安全的及可靠的操作，該散熱器必須以平面方式承載該基材的底面且沒有任何縫隙。
在此情況下的問題為因各種模塊成分(如基材及半導(dǎo)體材料)的不同熱膨脹是數(shù)及低彎曲剛性所產(chǎn)生的在該模塊的機(jī)械應(yīng)力。內(nèi)部應(yīng)力亦可得自該功率半導(dǎo)體模塊的高溫制造方法及可藉由后續(xù)焊接步驟被額外加強(qiáng)。
在此情況下機(jī)械應(yīng)力及/或該低彎曲剛性造成在該基材或模塊的底面的不欲的變形或彎曲。之后均勻地平的接觸面積不再被確保，因為在冷卻組件間的熱傳及冷卻因空氣縫隙及空間(其因變形而產(chǎn)生)而被損傷。前述影響無法被補(bǔ)償特別是在該基材未直接壓在，或是完全不足地壓在該散熱器，如在于該模塊中央的邊緣固定的情況，因彎曲(區(qū)度)于那里為最大，而且，模塊愈大，影響明顯為至更大程度，該模塊的尺寸必然隨該功率增加。
為解決此問題區(qū)域，可理解提供一額外金屬部份-如銅板-做為基板，該基材的底面固定地連接(如焊接)于此基板上。現(xiàn)有形式偏差接著由焊劑的插入層補(bǔ)償。該基板接著由其底面被連接至該散熱器及用做熱的均勻分布(一般稱為散熱層)及用做吸收機(jī)械應(yīng)力。
然而，由于該額外基板及其裝設(shè)，此結(jié)構(gòu)增加以此方式建構(gòu)的功率半導(dǎo)體模塊的總成本。
所以，本發(fā)明是基于提供一種可以具與冷卻組件的滿意熱接觸被成本有效地制造的功率半導(dǎo)體模塊的目的，且此功率半導(dǎo)體模塊不需額外基板。
在于簡介中所提及型式的功率半導(dǎo)體模塊的情況下，此目的因該基材具多個基材區(qū)域的事實而根據(jù)本發(fā)明達(dá)到，且一或多個連接區(qū)域位于基材區(qū)域之間，經(jīng)由此連接區(qū)域，該基材區(qū)域被連接使得它們可相對于彼此移動。
本發(fā)明的一個基本方向為該半導(dǎo)體組件及若合適，進(jìn)一步組件，的裝置未于單一、整合基材上產(chǎn)生，而是在多個基材區(qū)域(部份基材)間分布，結(jié)果為，每一個個別部份基材可被較佳地壓向冷卻區(qū)域及因而被較佳地冷卻。
而且，雖然每一個個別部份基材同樣地經(jīng)驗因先前所敘述的溫度決定應(yīng)力及熱作用所引起的變形，該變形顯著小于相對應(yīng)面積的單一整體基材所會有的變形。換言之該在一些情況的無法避免的變形在多個部份基材間及因而相對應(yīng)地在較小部份基材間分割，其絕對變形最大顯著較小。
當(dāng)基材的尺寸增加，基材變得對裂痕及損傷更為敏感，所以，本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)在于具其多個個別基材區(qū)域的根據(jù)本發(fā)明功率半導(dǎo)體模塊顯著更為機(jī)械堅固的事實，此有力地增加在制造及裝設(shè)方法的產(chǎn)量。
本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于具繁多半導(dǎo)體組件的該個別基材區(qū)域可被預(yù)先個別地測試及在缺陷時可被置換。關(guān)于完工模塊的廢品可以成本有效的方式被最小化。
此會伴隨著產(chǎn)量的進(jìn)一步增加，因為在缺陷基材區(qū)域的情況下，若合適已裝設(shè)的組件伴隨功率半導(dǎo)體模塊的整個基材材料，不需被廢棄。
本發(fā)明的進(jìn)一步基本方向可在該基材區(qū)域被連接使得經(jīng)由一或多個連接區(qū)域位于基材區(qū)域它們可相對于彼此移動的事實了解。該個別連接區(qū)域具較該基材一般具有的為高的機(jī)械變形能力(彈性)，如此，當(dāng)其為樞紐或或者關(guān)節(jié)區(qū)域形成于該基材區(qū)域之間。連接區(qū)域防止該基材區(qū)域在相鄰基材區(qū)域具往復(fù)機(jī)械影響。
而且，在每一個連接區(qū)域，存在以變形被最小化的方式執(zhí)行該個別基材區(qū)域的位向的修正的可能性，及結(jié)果，該功率半導(dǎo)體模塊的平面接觸區(qū)域被形成，其提供至要被連接的散熱器的最適熱傳。
根據(jù)本發(fā)明，該功率半導(dǎo)體模塊在該基材區(qū)域間的區(qū)域額外具一殼體，此殼體具該連接區(qū)域的機(jī)械壓力施用的作用點(diǎn)，該殼體施用壓力至該個別基材區(qū)域。
特別是該連接區(qū)域的機(jī)械壓力施用的作用點(diǎn)確保至要被連接至該功率半導(dǎo)體模塊的裝置區(qū)域(底面)的冷卻組件間的特別良好的熱傳導(dǎo)。
在此情況下，該作用點(diǎn)可為如在殼體的凹陷，其使得外部機(jī)械壓力裝置(如拉力螺栓)伸向該基材平面。然而，在該殼體內(nèi)，亦可能提供壓力板，其將外部地作用于該殼體的壓力前饋至該作用點(diǎn)。
而且，根據(jù)本發(fā)明，該殼體以有彈性的方式被具體化，特別是在機(jī)械壓力施用的作用點(diǎn)之間的部份，此確保個別地在每一個個別部份基材上的接觸壓力，該個別部份基材由該作用點(diǎn)(如藉由螺絲、夾子、鉸釘?shù)?被機(jī)械地分開，該作用點(diǎn)本身不直接施用壓力于該部份基材。
根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體模塊的有利發(fā)展藉由在該基材材料的凹部提供要被形成的該連接區(qū)域，以制造技術(shù)觀點(diǎn)，此表示提供具增加的移動性或可變形能力的連接區(qū)域的特別簡單可能性。此凹部可由如穿孔形成。
以制造技術(shù)觀點(diǎn)，特佳為該材料凹部被開狹縫。
較佳為，該基材可由陶瓷組成，此允許該半導(dǎo)體組件與裝設(shè)于該基材的電連接的優(yōu)異電絕緣及經(jīng)由該陶瓷至該散熱器的熱消散。在此情況下，熱傳導(dǎo)漿液可被引入基材及散熱器之間。
而且，較有利為若殼體，至少在該基材區(qū)域的區(qū)域，為使得其以彈力作用于該基材區(qū)域上。結(jié)果為，壓力個別地施用于每一個部份基材。
本發(fā)明示例具體實施例參考圖標(biāo)更詳細(xì)說于于下；在圖式中，圖式地第1圖以截面區(qū)段顯示根據(jù)本發(fā)明功率半導(dǎo)體模塊的第一示例具體實施例，第2圖以平面視圖顯示第1圖的功率半導(dǎo)體模塊的基材，第3圖以截面區(qū)段顯示根據(jù)本發(fā)明功率半導(dǎo)體模塊的第二示例具體實施例，及第4圖以平面區(qū)段顯示第3圖的功率半導(dǎo)體模塊的基材。
于第1圖所示的功率半導(dǎo)體模塊1包括陶瓷基材(載具組件)2，其被區(qū)分為數(shù)個基材區(qū)域(部份基材)3、4及5及如同其具三個區(qū)段S(第2圖)。在基材區(qū)域3、4及5上放置的是半導(dǎo)體組件6、7及8，其皆為整體模塊1的所有構(gòu)成成分，該半導(dǎo)體組件經(jīng)由所顯示的連結(jié)電線接觸連接至導(dǎo)體軌跡(未特定說明)，其是形成于該部份基材的個別表面12、13、14，不同部份基材的導(dǎo)體軌跡可經(jīng)由連結(jié)電線彼此電連接，該導(dǎo)體軌跡產(chǎn)生該功率半導(dǎo)體外部連接的接觸端口(連接端口)，16、17、18。該半導(dǎo)體組件6、7及8可為功率半導(dǎo)體，其發(fā)展轉(zhuǎn)化為熱的高功率損失及因而需要有效熱逸散。
該半導(dǎo)體模塊進(jìn)一步包括有彈性的，亦即相對應(yīng)彈性，以塑料射出成型方法制造的模塊殼體20。該部份基材3、4、5的后側(cè)22、23、24形成該模塊底面25的部份區(qū)域，其被制作的盡可能平面以與散熱器28熱接觸及以熱傳導(dǎo)漿液施用于其。多個部份基材的使用用以實現(xiàn)平面具體實施例。若僅單一基材被使用，在其上所有半導(dǎo)體組件必須被放置及因而必須具所有部份基材的總裝設(shè)面積，在一方面，由已在制造方法顯示的熱負(fù)荷的實例得到的內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力具重要影響及，在另一方面，滿意的熱接觸未被得到及所以該基材的冷卻未被確保。
在根據(jù)本發(fā)明半導(dǎo)體模塊的情況下，該應(yīng)力僅導(dǎo)致小的變形，因為它們被分布于多個部份基材之間及因為該個別部份基材的較小絕對程度，每一個部份基材僅具相當(dāng)些微影響。
除了該基材區(qū)域3、4及5，基材2具形成于該基材區(qū)域間的連接區(qū)域30及31(亦參看第2圖)，該基材區(qū)域3及4被連接使得它們可相對于彼此移動，如經(jīng)由該連接區(qū)域30。該連接區(qū)域30用做關(guān)節(jié)區(qū)域或者樞紐，故該基材區(qū)域3及4亦被相對于彼此指向以形成非180°的角(校正角)。做為實例，此防止該基材區(qū)域3持續(xù)進(jìn)入該基材區(qū)域4的變形。做為實例，若該基材區(qū)域3因熱誘發(fā)應(yīng)力所造成的變形而相關(guān)于水平H傾斜角度α(以更放大及夸大的方式說明于第1圖)，藉由以相反方式相對應(yīng)傾斜該基材區(qū)域4可避免該角度α進(jìn)入該基材區(qū)域4的傳播及甚至藉由相等及相反的傾斜補(bǔ)償該傾斜?？勺杂傻刈砸驘嵴T發(fā)應(yīng)力所造成的變形至最大可能程度的模塊底面25因而被提供做為該功率半導(dǎo)體模塊的接觸區(qū)域。
根據(jù)第2圖，做為實例，該連接區(qū)域30及31由被引入該起始基材材料的插槽33、34形成。然而，該連接區(qū)域的其它幾何型式及結(jié)構(gòu)亦為可理解的，其以相同方式產(chǎn)生該連接區(qū)域相關(guān)于該起始基材的增加彈性。
該殼體20具進(jìn)入?yún)^(qū)域35、36，經(jīng)由此，例如藉由外部夾子或螺絲連接，機(jī)械壓力(以箭頭P符號化)可直接施用于該連接區(qū)域30、31以均勻地將該基材壓于該散熱器28，其它機(jī)械接觸壓力可被施用于在該功率半導(dǎo)體模塊的邊緣區(qū)域的接觸-壓力點(diǎn)AP上，如由其它箭頭P表示。
第3圖以截面區(qū)段圖式地顯示根據(jù)本發(fā)明功率半導(dǎo)體模塊101的變化，因此，多個稠密的基材區(qū)域(部份基材)103、104、105(其已廣泛地敘述于第1圖)，形成基材102的區(qū)段S(參考第4圖)。不同部份基材的導(dǎo)體軌跡可經(jīng)由連結(jié)電線108、109彼此電連接，此處亦然，該基材區(qū)域的底面形成該半導(dǎo)體模塊125的部份區(qū)域，其被制做為平面的以與散熱器128熱接觸。
根據(jù)第4圖，該連接區(qū)域130及131由被引入該起始基材材料的插槽133、134形成。有彈性的殼體120具進(jìn)入?yún)^(qū)域135、136于其頂部側(cè)140，例如經(jīng)由外部夾子或螺絲連接施用于該進(jìn)入?yún)^(qū)域135、136的機(jī)械壓力(以箭頭P符號化)由殼體-內(nèi)部活塞或垂直橋150、151被傳送于該連接區(qū)域130、131。結(jié)果，該基材101以高度均勻方式被壓于該散熱器128，其它機(jī)械接觸壓力可被施用于在該功率半導(dǎo)體模塊的邊緣區(qū)域的接觸-壓力點(diǎn)AP上，如由其它箭頭P表示。
特別有利的效用因而藉由接觸表面由個別在每一個部份基材的殼體施用的事實達(dá)到，該作用點(diǎn)及個別部份基材被機(jī)械地彼此分開，因而該作用點(diǎn)本身不施用直接壓力于該基材區(qū)域。
權(quán)利要求
1.一種功率半導(dǎo)體模塊(1)，其具多個字于基材(2)的半導(dǎo)體組件(6、7、8)，該基材(2)具多個基材區(qū)域(3、4、5)及一個或多個連接區(qū)域(30、31)是位于基材區(qū)域(3、4、5)之間，經(jīng)由此連接區(qū)域，該基材區(qū)域(3、4、5)被連接使得它們可相對于彼此移動，其特征在于該功率半導(dǎo)體模塊(1)具一殼體(20、120)，其在該基材區(qū)域(31、32)之間的區(qū)域具該連接區(qū)域的機(jī)械壓力施用的作用點(diǎn)(35、36)，以及該殼體(20、120)施用壓力至該個別基材區(qū)域(3、4、5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于該連接區(qū)域(31、32)是由在該基材(2)材料的凹部形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于該材料凹部(33、34)被開狹縫。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于該基材(2)為陶瓷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于該殼體(20、120)，至少在該基材區(qū)域(3、4、5)的區(qū)域，為使得其以彈力作用于該基材區(qū)域(3、4、5)上。
全文摘要
功率半導(dǎo)體模塊(1)包括位于基材(2)上的半導(dǎo)體組件(6、7、8)，本發(fā)明的目標(biāo)乃在防止基材抵抗一冷卻表面的壓力降低，及因變形引起的冷卻結(jié)果損失。達(dá)成此目標(biāo)，俾基材(2)包含數(shù)基材區(qū)域(3、4、5)并使一或數(shù)連接區(qū)域(31、32)位于基材區(qū)域(3、4、5)間，藉此，該等基材區(qū)域乃如此連接，致彼此間可移動。
文檔編號H01L25/07GK1636277SQ02817034
公開日2005年7月6日 申請日期2002年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月1日
發(fā)明者蒂羅·史托爾哲 申請人:優(yōu)沛有限公司