專利名稱：功率電路組件及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及功率電路組件及制造方法。
背景技術(shù)：
通常，高功率半導(dǎo)體模塊是通過硬釬焊的或直接合的銅組裝到陶瓷襯底上。這樣的組裝昂貴并且因此典型地局限于高性能的應(yīng)用中。當(dāng)使用例如Ozmat等人的共同轉(zhuǎn)讓的US6377461中描述的電力堆焊層組件代替引線接合時，因減少襯底材料的數(shù)量而減輕一些費(fèi)用，而且增加了一些可靠性。額外的成本節(jié)省和可靠性改善將是希望的。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，功率電路組件包括基底和功率半導(dǎo)體模塊?；装ㄒr底和在襯底之上的多個互連電路層。每個互連電路層包括形成有襯底電互連線圖案的襯底絕緣層。基底還包括從襯底的頂部表面延伸到至少一個襯底電互連線的通路接線。功率半導(dǎo)體模塊包括功率半導(dǎo)體器件，每個功率半導(dǎo)體器件包括在各自功率半導(dǎo)體器件的頂部表面上的器件焊盤和在各自功率半導(dǎo)體器件的底部表面上的背面觸點，同時功率半導(dǎo)體器件與薄膜結(jié)構(gòu)耦合。薄膜結(jié)構(gòu)包括薄膜絕緣層和在薄膜絕緣層之上并選擇性地延伸到器件焊盤的襯底電互連線。背面觸點與所選擇的襯底電互連線或者通路接線相耦合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案，用于制造功率電路組件的方法，其包括提供基底，該基底包括襯底，在襯底之上的多個互連電路層，每個互連電路層包括形成有襯底電互連線圖案的襯底絕緣層，以及從襯底的頂部表面延伸到至少一個襯底電互連線的通路接線；提供包括功率半導(dǎo)體器件的功率半導(dǎo)體模塊，每個功率半導(dǎo)體器件包括頂部表面上的器件焊盤和底部表面上的背面觸點，功率半導(dǎo)體器件與薄膜結(jié)構(gòu)耦合，該薄膜結(jié)構(gòu)包括薄膜絕緣層和在薄膜絕緣層之上并選擇性地延伸到器件焊盤的薄膜電互連線；以及將功率半導(dǎo)體模塊安裝到基底中所選擇的電互連線或者通路接線。


當(dāng)參考附圖閱讀下面的詳細(xì)說明后，本發(fā)明的這些以及其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中相同的標(biāo)記在整個附圖中代表相同的部件，其中圖1是用于根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的功率電路組件的元件的截面展開圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的焊接階段的截面?zhèn)纫晥D；圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的焊接階段的截面?zhèn)纫晥D；圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的功率電路組件的截面?zhèn)纫晥D；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的功率電路組件的截面?zhèn)纫晥D。
具體實施例方式
圖1是用于根據(jù)本發(fā)明各種實施方案的功率電路組件的元件11的截面透視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的焊接階段的截面?zhèn)纫晥D，圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的焊接階段的截面?zhèn)纫晥D，以及圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案使用了圖1中示出的元件的功率電路組件10的截面?zhèn)纫晥D。
在本發(fā)明的示例性實施例中，功率電路組件10包括基底12和功率半導(dǎo)體模塊26?；?2包括襯底14，在襯底14之上的多個互連電路層16，每個互連電路層16包括形成有襯底電互連線20圖案的襯底絕緣層18。基底12還包括從襯底14的頂部表面延伸到至少一個襯底電互連線20的通路接線22、24。功率半導(dǎo)體模塊26包括功率半導(dǎo)體器件28，每個功率半導(dǎo)體器件包括在各自功率半導(dǎo)體器件的頂部表面上的器件焊盤30和在各自功率半導(dǎo)體器件的底部表面上的背面觸點31。功率半導(dǎo)體器件28與薄膜結(jié)構(gòu)32耦合，該薄膜結(jié)構(gòu)32包括薄膜絕緣層34和在薄膜絕緣層34之上并選擇性地延伸到器件焊盤30的薄膜電互連線36。背面觸點31與所選擇的襯底電互連線20或者通路接線22、24耦合。
這里使用術(shù)語例如“頂部”、“底部”和“在……之上”是出于說明的目的，但是并不意味在制造或操作期間限制結(jié)構(gòu)的實際方向。這里給出的任何尺寸數(shù)值和元件數(shù)值都是示例性的，僅僅是出于說明的目的，并且不意味著限制了這里所描述的本發(fā)明的范圍。同樣，具體的材料也是示例性的，僅僅是出于說明的目的。
襯底14可以包括任何結(jié)構(gòu)上適合的材料，并且典型地包括不導(dǎo)電的材料或者涂覆了電絕緣材料的導(dǎo)電材料。選擇具有熱阻抗低以使熱從功率半導(dǎo)體器件28穿過的襯底也是有利的。在一個實施例中，襯底14包括在行業(yè)中已知的作為絕緣金屬襯底(IMS)的結(jié)構(gòu)。在更具體的實施例中，IMS的導(dǎo)電部分包括銅或者鋁硅碳化金屬基體合成物。
襯底絕緣層18典型地包括非導(dǎo)電材料例如陶瓷填充的環(huán)氧樹脂基薄片、聚酰亞胺或陶瓷。在一個實施例中，襯底絕緣層18的厚度約為0.008英寸(0.2毫米)。鄰接于導(dǎo)電襯底的襯底絕緣層可以作為導(dǎo)電襯底的絕緣材料。當(dāng)用在互連電路層16中時，襯底絕緣“層”18意味著“至少一個層”(即，層18可以包括單一層或者幾個疊加的層)。
對襯底電互連線20進(jìn)行構(gòu)圖以提供預(yù)期的電通路，并且典型地包括材料例如銅。如果希望增強(qiáng)粘附力或進(jìn)行精加工，襯底電互連線20可以包括相同的材料或者材料層。在一個實施例中，襯底電互連線的厚度為約0.0058英寸(0.15毫米)。
根據(jù)所要連結(jié)的元件的性質(zhì)，使用通路接線22或24提供電通路、熱通路或電和熱通路。用于通路接線22、24的典型材料包括銅那樣的材料。當(dāng)熱或電需求增加時，每個元件的通路路徑的直徑尺寸和數(shù)量還將根據(jù)該元件隨著通路接線的直徑尺寸、數(shù)量的增加或者它們二者的同時增加而變化。如果需要，可以使用額外的隱藏通路接線與由圖1中通路接線23所示的中間襯底電互連線互相連接。
示出徑直的通路接線只是出于示例的目的。典型地，當(dāng)跨越多層襯底絕緣層時，通過去除襯底絕緣層的預(yù)定部分并在絕緣層上通過絕緣層基底施加導(dǎo)電材料形成通路接線。例如，參照圖1，在對其各自的襯底絕緣層進(jìn)行構(gòu)圖之后，通路接線部分17直接形成在通路接線部分15之上并與其耦合，之后，在對其各自的襯底絕緣層進(jìn)行構(gòu)圖之后，通路接線部分19直接形成在通路接線部分17之上并與其耦合。如果不可能在通路接線中用導(dǎo)電材料填充全部空間，可以將填充物材料(未示出)應(yīng)用到通路接線的內(nèi)部部分以防止出現(xiàn)空隙。為了使通路接線提供熱路徑，典型地，任何這樣的填充物材料都包括熱傳導(dǎo)材料。
雖然不需要，但是為了隨后將形成的功率電路組件耦合到將對功率電路組件進(jìn)行機(jī)械固定并冷卻的裝置中，設(shè)置基底通道13是有益的。
功率半導(dǎo)體模塊26的功率半導(dǎo)體器件28包括器件例如二極管、晶體管、集成門電路雙極晶體管或任何類型的功率半導(dǎo)體或用于控制或檢測的具有復(fù)合功能的其它半導(dǎo)體。電力墊片可以用于與從功率半導(dǎo)體器件28的頂側(cè)向下到基底12的接線耦合。出于示例的目的，顯示出一種這樣的電力墊片29。
在之前提及的US6377461中描述了功率半導(dǎo)體模塊的示例性實施方案。薄膜結(jié)構(gòu)32可以包括單層結(jié)構(gòu)(如圖所示)或者多層結(jié)構(gòu)(對于該薄膜結(jié)構(gòu)未示出但是相對于基底12的互連電路層16示出其類型)。
典型地，薄膜絕緣層34包括有機(jī)電介質(zhì)材料例如聚合物，或者在更具體的實施方案中，為聚酰亞胺。其它示例的材料包括聚醚酰亞胺，例如ULTEM多醚酰亞胺(通用電氣)或UPIMOL樹脂(UBE工業(yè))。如果需要，如上述US6377461中所述，可以包括陶瓷填充物材料。
典型地，薄膜電互連線36包括金屬，例如銅。圖1中的實施方案示出了一種更具體的分層電互連線實施方案，其中包括初始層39、基本層41和結(jié)束層43。在同樣更具體的實施方案中，初始層39包括鈦，基本層41包括厚度為約0.005英寸(0.13毫米)的銅，并且結(jié)束層43包括鎳-金。薄膜電互連線之間具有間隔37以將電通路分隔開。
在一個實施方案中，用粘合劑35例如膠水或部分固化的聚合物樹脂將功率半導(dǎo)體器件28連結(jié)到薄膜結(jié)構(gòu)32上。如果需要，薄膜結(jié)構(gòu)還可以包括在Wojnarowski等人共同轉(zhuǎn)讓的US5683928、US5849623、US5872040和US6040226中描述的那種類型的集成無源元件(未示出)。
將背面觸點31耦合到所選擇的襯底電互連線20或通路接線22、24上。用在此處時，“或”指一個或兩個。典型地，通過使用任何適合的焊料52來完成耦合。在一個實施方案中，焊料包括絲網(wǎng)印刷的焊膏。
將功率半導(dǎo)體模塊26應(yīng)用到其上已經(jīng)具有襯底電互連線20的基底12，這樣提供了許多優(yōu)點，包括例如通過利用用于電力和信號目的的互連接線集成低熱阻抗基底與功率半導(dǎo)體模塊結(jié)合實現(xiàn)了用簡單的技術(shù)增加可靠性和功能性。
通過耦合表面安裝元件38、40和42，可以實現(xiàn)另外的優(yōu)點。在更具體的實施方案中，如圖2-5中所示，表面安裝元件38和40耦合到所選擇的襯底電互連線20或通路接線22、24上。因為表面安裝元件38和40與功率半導(dǎo)體模塊26位于同一平面上，所以該實施方案從具有基底12的互連電路層16這一點獲得了同樣更多好處。
在另一個實施方案中，正如圖2中所示的使用同一焊料52將表面安裝元件38和40與功率半導(dǎo)體模塊一起同時焊接。在另一實施方案中，使用了多步驟焊接工藝。多步驟的實施方案是有用的，例如，在首先安裝元件的指定層，然后通過較低溫度的焊料將另外的元件添加到結(jié)構(gòu)中另一層這種情況下。在一個實施方案的另一個實施例中，如圖4所示，使用了至少兩種類型的焊料來接合功率半導(dǎo)體模塊和表面安裝元件。在這個實施方案中，一種類型的焊料52用于接合功率半導(dǎo)體模塊，其具有比用于接合至少一個表面安裝元件的另一類型焊料54高的回流溫度。
典型地，表面安裝元件38和40包括從無源表面元件和有源表面元件中選擇的至少一個元件。無源表面元件的例子包括電阻、電容和電感。有源表面元件的例子包括門驅(qū)動電路、電流傳感器、電壓傳感器、熱傳感器、運(yùn)算電子器件(可以是有線的或者無線的，并且可以包括元件例如電平移位器、整流器、濾波器和前置放大器)、光電子器件和調(diào)節(jié)電子器件。
在一個實施方案中，如圖4中所示，封裝材料58至少部分地包圍功率半導(dǎo)體模塊26。合適的封裝材料的例子包括環(huán)氧樹脂和硅酮。一種用于應(yīng)用封裝材料的有用技術(shù)是使用框架50。在一個實施方案中，當(dāng)把封裝材料倒入或射入由基底12和框架50形成的空腔中時，框架50結(jié)合到襯底的頂部表面上用于支撐封裝材料。典型地，作為一個實施例，在應(yīng)用封裝材料58之前，用帶有毛細(xì)管作用填充的任何適合的技術(shù)借助于毛細(xì)作用填充向功率半導(dǎo)體模塊26下面的功率半導(dǎo)體器件28之間的空間中提供了未充滿材料(未示出)。
為了制造方便或結(jié)構(gòu)支撐，框架50可以保持在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀？商鎿Q地，可以在設(shè)置了封裝材料之后去除框架50。如果框架50保持在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，則有助于給框架50設(shè)置框架通道50以與任意基底通道13對齊。
另外，輸出連接器44可以耦合到所選擇的襯底電互連線20或通路接線22、24上。典型地，在應(yīng)用封裝材料58之前設(shè)置輸出連接器44，使得封裝材料以輸出連接器44保持易于外部耦合的方式部分地包圍輸出連接器。在一個實施例中，輸出連接器44包括用于接收外部插頭(未示出)的輸出連接器通道46。
表面安裝元件42還可以包括安裝到功率半導(dǎo)體模塊26的頂部表面的元件(典型地用焊料56)?；蛘撸诳商鎿Q的實施方案中，通過底部表面上的熱和電通路接線22以及頂部表面上的冷卻機(jī)構(gòu)在功率半導(dǎo)體模塊的兩側(cè)提供冷卻。在一個頂部表面冷卻的實施例中，如圖5所示，通過熱界面材料60將熱交換器62耦合到薄膜結(jié)構(gòu)的頂部表面。
熱界面材料60包括熱傳導(dǎo)材料，該熱傳導(dǎo)材料是電絕緣的，或者，如果是導(dǎo)電的，那么它包括電絕緣層(未示出)作為其頂部表面以定位相鄰的熱交換器62。在一個實施方案中，熱界面材料60包括陶瓷填充聚合物焊盤，例如從Fujipoly America Corp.購買的SARCON XR-MTM。用于熱界面材料60的其它示例材料包括陶瓷填充硅、碳纖維填充焊盤和常規(guī)的熱油脂。熱交換器62可以包括例如空氣冷卻或液體冷卻的熱交換器。
在另一個實施方案中，襯底14包括金屬或金屬復(fù)合物材料，并且包括嵌入其中的溝道70以使熱交換器并入并避免組件需要任何其它冷卻結(jié)構(gòu)。襯底中的溝道可以設(shè)計成提供用于使用流體、氣體或者固相交換材料的冷卻通道。在Stevanovic等人于2004年11月24日申請的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請10/998707中描述了用于集成的冷卻通道的示例性實施方案。
在沒有這種嵌入通道的實施方案中，將襯底14與熱交換器(未示出)連結(jié)以易于功率半導(dǎo)體器件冷卻是有用的。
雖然這里只示出并說明了本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會作出許多變形和改變。因此，應(yīng)當(dāng)理解附帶的權(quán)利要求意在覆蓋所有這些落入在本發(fā)明真正精神范圍內(nèi)的變形和改變。
部件列表10功率電路組件11功率電路組件元件12基底13基底通道14襯底15通路接線部分16電路層17通路接線部分18襯底絕緣層19通路接線部分20襯底電互連線22通路接線23通路接線24通路接線26功率半導(dǎo)體模塊28功率半導(dǎo)體器件29墊片30器件焊盤31背面觸點32薄膜結(jié)構(gòu)34薄膜絕緣層35粘合劑36薄膜電互連線37薄膜通路38表面安裝元件39初始層40表面安裝元件41基本層42表面安裝元件
43結(jié)束層44輸出連接器46輸出連接器通道48框架50框架通道52焊料54焊料56焊料58封裝材料60熱界面材料62熱交換器70襯底溝道
權(quán)利要求
1.一種功率電路組件(10)，包括基底(12)，包括襯底(14)，在襯底之上的多個互連電路層(16)，每個互連電路層(16)包括形成有襯底電互連線(20)圖案的襯底絕緣層(18)，和從襯底的頂部表面延伸到至少一個襯底電互連線(20)的通路接線(22、24)；以及功率半導(dǎo)體模塊(26)，包括功率半導(dǎo)體器件(28)，每個功率半導(dǎo)體器件(28)包括在各自功率半導(dǎo)體器件的頂部表面上的器件焊盤(30)和在各自功率半導(dǎo)體器件的底部表面上的背面觸點(31)，功率半導(dǎo)體器件與薄膜結(jié)構(gòu)(32)耦合，該薄膜結(jié)構(gòu)包括薄膜絕緣層(34)和在薄膜絕緣層之上并選擇性地延伸到器件焊盤的薄膜電互連線(36)，其中背面觸點(31)與所選擇的襯底電互連線或者通路接線耦合。
2.權(quán)利要求1的功率電路組件，還包括與選擇的電互連線或通路接線耦合的表面安裝元件(38)，其中表面安裝元件包括從無源表面元件和有源表面元件中選擇的至少一個元件。
3.權(quán)利要求2的功率電路組件，其中至少一些通路接線(22)配置成用于熱和電耦合。
4.權(quán)利要求2的功率電路組件，還包括用于耦合功率半導(dǎo)體模塊和表面安裝元件的至少兩種類型的焊料，一種類型的焊料(52)用于耦合功率半導(dǎo)體模塊，它具有比用于耦合至少一個表面安裝元件的另一類焊料(54)高的回流溫度。
5.權(quán)利要求2的功率電路組件，還包括至少部分地包圍功率半導(dǎo)體模塊的封裝材料(58)。
6.權(quán)利要求5的功率電路組件，還包括與所選擇的電互連線或通路接線耦合并且被封裝材料部分地包圍以易于外部耦合的輸出連接器(44)。
7.權(quán)利要求1的功率電路組件，還包括熱交換器(62)以及耦合熱交換器和薄膜結(jié)構(gòu)的頂部表面的熱界面材料(60)。
8.權(quán)利要求1的功率電路組件，其中襯底包括金屬絕緣襯底，并且其中襯底還包括嵌入其中的冷卻溝道(70)。
9.一種用于制造功率電路組件(10)的方法，包括提供基底(12)，該基底(12)包括襯底(14)，在襯底之上的多個互連電路層(16)，每個互連電路層(16)包括形成有襯底電互連線(20)圖案的襯底絕緣層(18)，以及從襯底的頂部表面延伸到至少一個襯底電互連線的通路接線(22、24)；提供功率半導(dǎo)體模塊(26)，該功率半導(dǎo)體模塊(26)包括功率半導(dǎo)體器件(28)，每個功率半導(dǎo)體器件包括頂部表面上的器件焊盤(30)和底部表面上的背面觸點(31)，功率半導(dǎo)體器件與薄膜結(jié)構(gòu)(32)耦合，該薄膜結(jié)構(gòu)包括薄膜絕緣層(34)和在薄膜絕緣層之上并選擇性地延伸到器件焊盤的薄膜電互連線(36)；提供表面安裝元件(38)；將功率半導(dǎo)體模塊和表面安裝元件安裝到基底中所選擇的電互連線或者通路接線。
10.權(quán)利要求9的方法，其中安裝功率半導(dǎo)體模塊和表面安裝元件包括焊接功率半導(dǎo)體模塊，然后焊接表面安裝元件。
全文摘要
一種功率電路組件(10)包括基底(12)，該基底(12)包括襯底(14)，在襯底之上的多個互連電路層(16)，每個互連電路層(16)包括形成有襯底電互連線(20)圖案的襯底絕緣層(18)，和從襯底的頂部表面延伸到至少一個襯底電互連線(20)的通路接線(22，24)；以及包括功率半導(dǎo)體器件(28)的功率半導(dǎo)體模塊(26)，每個功率半導(dǎo)體器件(28)包括在各自功率半導(dǎo)體器件的頂部表面上的器件焊盤(30)和在各自功率半導(dǎo)體器件的底部表面上的背面觸點(31)，功率半導(dǎo)體器件與薄膜結(jié)構(gòu)(32)耦合，該薄膜結(jié)構(gòu)包括薄膜絕緣層(34)和在薄膜絕緣層之上并選擇性地延伸到器件焊盤的薄膜電互連線(36)，其中背面觸點(31)與選擇的襯底電互連線或者通路接線耦合。
文檔編號H01L23/488GK1956192SQ200610160598
公開日2007年5月2日 申請日期2006年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月26日
發(fā)明者E·C·德爾加多, R·A·博普雷 申請人:通用電氣公司