專利名稱：具有三維表面輪廓的襯底的功率半導體模塊及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明介紹了一種具有承載功率半導體構(gòu)件的襯底的特殊構(gòu)造的功率半導體模 塊及其制造方法。
背景技術(shù)：
在DE 103 55 925 Al中示例性地公開了一種功率半導體模塊，具有平面式的襯 底，在該襯底上具有適合電路地設(shè)置的導體帶，導體帶構(gòu)成為平面式的金屬層的分層，類似 于公知的并且在多種情況下應(yīng)用于功率半導體模塊中的直接敷銅(DCB)襯底那樣。在導體 帶上布置有功率半導體構(gòu)件和具有與該功率半導體構(gòu)件相當?shù)某叽绲哪軐щ姷姆指粼?所述元件借助連接裝置連接，該連接裝置由箔片復合體組成，該箔片復合體由至少兩個金 屬箔片層連同各一個布置于其間的電絕緣箔片層組成。由DE 10 2007 054 710 Al公知的是，上面所提及的基本相同類型的連接裝置在 繞過分隔元件的情況下以如下方式布置在功率半導體模塊中，即，在功率半導體模塊與襯 底之間的高度差通過連接裝置自身變形而得到補償。因此，所提及的現(xiàn)有技術(shù)的缺點在于，為了補償在襯底與功率半導體構(gòu)件之間不 同的水平高度，要么附加地設(shè)置分隔元件，要么使連接裝置變形。前者要求用于設(shè)置的額外 的工序，而后者在有待連接的結(jié)構(gòu)較復雜的情況下在連接裝置中可能產(chǎn)生應(yīng)力。此外，通過 已知的連接裝置，只能針對小功率至中等功率令人滿意地構(gòu)成負載連接元件用于功率半導 體模塊的對外連接。此外，示例性地由DE 10 2006 058 695 Al 或DE 10 2006 006 425 Al 公知的是，
將功率半導體模塊的負載連接元件構(gòu)成為金屬成型體，所述金屬成型體與襯底的導體帶材 料配合地或形狀配合地連接。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明基于如下任務(wù)，S卩，提出一種具有改進的襯底的功率半導體模塊及其 制造方法，該功率半導體模塊如同襯底自身的擴展功能示例性地作為接合裝置或者連接裝 置那樣，對于內(nèi)部電連接裝置的簡單布置方案也是行得通的。該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過具有權(quán)利要求1的特征的功率半導體模塊及具有權(quán)利要 求5的特征的制造方法來解決。優(yōu)選的實施方式在各從屬權(quán)利要求中有所介紹。上面所提及類型的功率半導體模塊形成了本發(fā)明的基本出發(fā)點。該功率半導體模 塊具有帶電絕緣層和第一金屬層的襯底，第一金屬層自身被結(jié)構(gòu)化并且因此構(gòu)成有分層。 這種襯底例如作為DCB(direct copper bonded，直接敷銅)襯底在多種情況下用于功率半 導體模塊的領(lǐng)域中。該功率半導體模塊的長處在于具有大多雙側(cè)銅遮蓋部的絕緣材料體， 該銅遮蓋部構(gòu)成了兩個平坦的主面，其中，在第一主面上以及在那里在結(jié)構(gòu)化的銅遮蓋部 上布置有譬如功率半導體開關(guān)、電阻和傳感器的構(gòu)件，而自身大多未進行結(jié)構(gòu)化的第二銅 遮蓋部與冷卻裝置相連。
根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊具有襯底，在該襯底的至少一個表面上具有三維輪 廓。為此，在襯底的絕緣層的至少一個表面上布置有自身結(jié)構(gòu)化的第一金屬層，其中，在該 第一金屬層上布置有帶至少一個第二分層的第二金屬層，該第二分層具有所述三維表面輪 廓。該三維表面輪廓構(gòu)成至少兩個平面，其中，在所述平面上設(shè)置有用于內(nèi)部連接或者對外 連接的接觸面。在這種情況下，特別優(yōu)選的是，相應(yīng)的第二分層以至少90 %的程度覆蓋配屬 于該第二分層的第一分層。具有絕緣層和結(jié)構(gòu)化的第一金屬層的結(jié)構(gòu)類似于公知的DCB-襯底，但其中，在這 里該第一金屬層優(yōu)選薄了十倍地構(gòu)造。除了襯底之外，根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊具有常見的部件，譬如用于對外電 連接的負載連接元件和輔助連接元件以及大量功率半導體構(gòu)件，其中，功率半導體構(gòu)件中 的至少一個布置在第二金屬層的第二分層上。為了適合電路地進行內(nèi)部電連接，功率半導 體模塊優(yōu)選還具有連接裝置，如該連接裝置例如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣。該連接裝置首 要地用于將襯底的至少一個接觸面與至少一個功率半導體構(gòu)件的背向該襯底的至少一個 接觸面相連接。同樣可以優(yōu)選的是，第二金屬層的至少一個第二分層在第一金屬層的所配屬的第 一分層邊緣區(qū)域中超出該第一金屬層的所配屬的第一分層并且在其進一步的伸展中自身 構(gòu)成了功率半導體模塊的第一對外連接元件?？商孢x地或者附加地，可以優(yōu)選的是，第二金屬層的至少一個第二分層具有如下 的區(qū)段，所述區(qū)段在側(cè)向上未超出所配屬的第一分層，但該區(qū)段以一角度從該第二分層伸 出并且在其進一步的伸展中構(gòu)成了功率半導體模塊的第二對外連接元件。對于確定的應(yīng)用方案可以優(yōu)選的是，襯底的三維表面輪廓不僅設(shè)置在絕緣層的一 側(cè)上，而且設(shè)置在絕緣層的兩側(cè)上。根據(jù)本發(fā)明的、用于制造依照上述說明構(gòu)成的這種功率半導體模塊的方法的特征 在于如下主要步驟·提供基礎(chǔ)襯底，基礎(chǔ)襯底具有絕緣層和設(shè)置于絕緣層上的自身結(jié)構(gòu)化的第一金 屬層，其中，結(jié)構(gòu)化部構(gòu)成了第一分層。第一分層形成了功率半導體模塊的電路技術(shù)上的基 本結(jié)構(gòu)。·構(gòu)成具有三維表面輪廓的至少一個第二金屬層，其中，這優(yōu)選通過沖壓-彎曲技 術(shù)或者通過折疊恒定厚度的金屬體來實現(xiàn)。由此，由金屬體，例如由厚度在100 μ m數(shù)量級 的金屬箔片形成了襯底的三維結(jié)構(gòu)。形成第二金屬層的各第二分層優(yōu)選分別地制成。但同 樣可以優(yōu)選的是，多個第二分層由共同的工件制成，并且在將其布置在基礎(chǔ)襯底上之后才 分開，方式為例如到那時去除尚存的連接?！⒌诙饘賹拥闹辽僖粋€第二分層與第一金屬層的所配屬的第一分層優(yōu)選借助 加壓燒結(jié)方法連接。·將至少一個功率半導體構(gòu)件布置在三維第二分層的第一平面上。·在有些優(yōu)選的情況下，這時還可以接有的是對第二分層的區(qū)段的進一步變形步 驟，其中，該區(qū)段在這種情況下被部分地放置于功率半導體構(gòu)件上，并且因此代替附加的連 接裝置，建立適合電路的內(nèi)部連接，優(yōu)選為負載連接。所提及的制造方法和所屬的功率半導體模塊的優(yōu)點是，通過構(gòu)造具有三維表面結(jié)構(gòu)的第二金屬層，既能簡單地布置連接裝置，同樣還附加地或可替選地，襯底、更確切地說 是第二分層自身可以用作接合元件或連接元件。
本發(fā)明的特別優(yōu)選的改進方案在對實施例的相應(yīng)說明中有所提及。對此，本發(fā)明 的解決方案結(jié)合實施例和圖1至6進一步闡述。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的第二分層的第一構(gòu)成方案的不同階段。圖2以兩個視圖示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的第二分層的第二構(gòu)成方案 的不同階段。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的第二分層的第三構(gòu)成方案的不同階段。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的襯底的構(gòu)造方案。圖5在分解圖中示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的主要部件。圖6示出另一根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的主要部件。
具體實施例方式圖1示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的第二分層16的第一構(gòu)成方案的不同階 段。所示出的是厚度在100 μ m數(shù)量級的呈金屬箔片形式的金屬體，在此特別優(yōu)選的是厚度 在80 μ m與500 μ m之間的銅箔片。陰影區(qū)域160在制造過程之后構(gòu)成了具有第一平面162 和第二平面164的表面三維輪廓。為此，陰影區(qū)域160繞折彎邊166彎折直至該陰影區(qū)域 置于第一平面162上。對于有些應(yīng)用方案而言，可以優(yōu)選的是，彎折以小于180°的角度來 實施，例如用于構(gòu)成負載連接元件。圖2以兩個視圖示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的第二分層16的第二構(gòu)成方 案的不同階段。在這里，能夠與根據(jù)圖1的介紹相當?shù)慕饘袤w形成了出發(fā)點。其中，通過U 形沖壓部170使至少一個區(qū)段自由并且在進一步的步驟中將該區(qū)域沿著折彎邊166以如下 方式彎折，即，該區(qū)域又置于第一平面162的面上，由此又產(chǎn)生了第二分層16的三維表面輪廓。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的第二分層16的第三構(gòu)成方案的不同階 段。在這種情況下，金屬體在一區(qū)域內(nèi)借助合適的變形部172被隆起，由此，形成至少一個 雙折部174。該雙折部174在接下來緊接著的步驟中被推壓到第一平面162的表面上，由 此，第二平面164形成三維表面輪廓。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的襯底10的構(gòu)造方案。在這里，在兩個 視圖中示出襯底10，如其示例性地而并非限定于此地具有作為絕緣層12的呈陶瓷形式 的絕緣材料基體。該絕緣材料基體具有的優(yōu)選厚度在毫米數(shù)量級，典型地為500 μ m。第 一金屬層布置在該絕緣材料基體上并且被結(jié)構(gòu)化形成第一分層14a/14b/14c。第一分層 14a/14b/14c具有的優(yōu)選厚度在10 μ m數(shù)量級。作為材料適于此的特別是具有其他金屬 或者金屬氧化物的不同的小劑量混入物的貴金屬或者具有貴金屬表面的銅。第二金屬層由大量第二分層16a/16b/16c形成，如其示例性地結(jié)合圖1至3在原 理上所介紹的那樣來制造。第一金屬層的左邊所示的第一分層Ha被所配屬的第二分層 16a覆蓋達到90%，以便為布置在第二分層20的第一平面162上的構(gòu)件提供足夠的位置。從此觀點來看，完全覆蓋同樣可以是有利的。在左邊示出第二負載連接元件，第二負載連 接元件通過如下方式來制造，類似地示例性地依照圖1，將第二分層的區(qū)段僅以如下程度彎 折，即，該區(qū)段以一角度(在此例如為90° )從該分層伸出。在該區(qū)段進一步的伸展中，該 區(qū)段構(gòu)成功率半導體模塊的第二對外負載連接元件182，該第二對外負載連接元件借助連 接機構(gòu)184用于對外連接。居中示出的第一分層14b同樣被第二分層16b覆蓋，但第二分層在兩個側(cè)上構(gòu)成 同樣類型的三維表面輪廓。所配屬的第二分層16c朝向襯底10的邊緣超出右邊所示的第一分層14c。該區(qū)域 在其進一步的伸展中用作功率半導體模塊的第一對外負載連接元件180。相應(yīng)的第二分層16a/16b/16c在此構(gòu)成為厚度為350 μ m的銅箔片并且在其面向 相應(yīng)的第一分層14a/14b/14c的表面上設(shè)有貴金屬表面，以便能夠借助加壓燒結(jié)連接與相 應(yīng)的第一分層14a/14b/Hc相連接。圖5以分解圖示出根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的主要部件，其中，襯底10很大 程度上相應(yīng)于依照圖4的襯底。因此，在第二分層16a/16b的各第一平面162上以彼此電 絕緣的方式布置有各一個功率半導體構(gòu)件20。連接裝置30，如其示例性地在現(xiàn)有技術(shù)中所公知的那樣，將左邊的功率半導體構(gòu) 件20的布置在背向襯底10的側(cè)上的接觸面202與襯底10的布置在中間的第二分層16b 的第二平面164上的接觸面202連接32。為此，連接裝置30不言而喻地以如下方式構(gòu)成， 即，在功率半導體構(gòu)件20的接觸面202與左邊的第二分層16a的第二平面164的接觸面 102之間并不進行導電連接34。即，所有不適于電路的連接34均未構(gòu)造。以同樣的方式，連接裝置30將在中間的第二分層16b的第一平面162上的功率半 導體構(gòu)件20的接觸面202與右邊的第二分層16c相連接32。由這種連接裝置30的現(xiàn)有技 術(shù)同樣公知多種接觸面，例如功率晶體管20的發(fā)射極接觸面和柵極接觸面，用來接觸連接 并且進而以適合電路的方式連接。根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的主要優(yōu)點在此為，所有有待連接的接觸面102、 202在幾何上置于至少幾乎相同的水平高度上并且因此該連接裝置30不必橋接明顯的高度差。對外負載連接元件180同樣借助第二分層16a/16c來構(gòu)成，方式為第二分層 16a/16c在側(cè)向上超出所配屬的第一分層14a/14c以及在此同樣超出襯底10的絕緣層12 并且在其進一步的伸展中借助合適的連接機構(gòu)184例如借助螺栓連接件構(gòu)成第一對外負 載連接元件180。圖6示出另一根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的主要部件。在此示出的是，襯底10 的布置在作為襯底基礎(chǔ)的金屬體100上的絕緣層12。在絕緣層12的與金屬體100對置的 側(cè)上布置有第一分層14a/14b和第二分層16a/16b。左邊的第二分層16a在這種情況下又具有如下區(qū)段，該區(qū)段以一角度從該第二分 層16a伸出并且構(gòu)成第二負載連接元件182。此外，左邊的第二分層16a具有另一區(qū)段186， 該區(qū)段186超出所配屬的第一分層1 并且在制造方法期間在時間上受限地如同負載連接 元件182那樣以一角度伸出。在將功率半導體構(gòu)件20布置在右邊的第二分層16b上之后，同樣帶有第二負載連接元件182，在該制造方法的稍后的步驟中使左邊的第二分層16a的另外的區(qū)段186再次變 形。通過進一步的變形，讓該另外的區(qū)段置于右邊的第二分層16b的功率半導體構(gòu)件20的 背向襯底10的表面上并且因此構(gòu)成模塊內(nèi)部的負載連接。通過該構(gòu)造方案可以示例性地 構(gòu)成兩個晶閘管的反并聯(lián)的布線，而無需附加的模塊內(nèi)部的連接裝置。
權(quán)利要求
1.功率半導體模塊，具有襯底(10)；用于對外電連接的連接元件(180、182)；以及大 量功率半導體構(gòu)件(20)，其中，所述襯底(10)具有電絕緣層(12)，在所述電絕緣層(12)上 布置有第一金屬層，所述第一金屬層自身被結(jié)構(gòu)化并且進而構(gòu)成第一分層(Ha/14b/Hc)， 并且其中，在所述第一金屬層上布置有帶至少一個第二分層(16a/16b/16c)的第二金屬 層，所述至少一個第二分層(16a/16b/16c)具有三維表面輪廓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導體模塊，其中，所述第二金屬層的至少一個第二分 層(16a/16b/16c)以至少90%的程度覆蓋所配屬的所述第一分層(Ha/14b/Hc)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導體模塊，其中，所述第二金屬層的至少一個第二分 層(16a/16b/16c)在所配屬的所述第一分層(14a/14b/14c)的邊緣區(qū)域超出所配屬的所述 第一分層(14a/14b/14c)并且在所述至少一個第二分層(16a/16b/16c)的進一步的伸展中 構(gòu)成所述功率半導體模塊的第一對外負載連接元件(180)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導體模塊，其中，所述第二金屬層的至少一個第 二分層(16a/16b/16c)具有如下的區(qū)段，所述區(qū)段以一角度從所述至少一個第二分層 (16a/16b/16c)伸出并且在所述區(qū)段進一步的伸展中構(gòu)成所述功率半導體模塊的第二對外 負載連接元件(182)。
5.用于制造根據(jù)前述權(quán)利要求之一構(gòu)成的功率半導體模塊的方法，其特征在于如下主 要步驟 提供基礎(chǔ)襯底，所述基礎(chǔ)襯底具有絕緣層(12)以及自身結(jié)構(gòu)化的并且進而構(gòu)成第一 分層(14a/14b/14c)的第一金屬層； 構(gòu)成第二金屬層的具有三維表面結(jié)構(gòu)的至少一個第二分層(16a/16b/16c)； 將所述第二金屬層的所述至少一個第二分層(16a/16b/16c)與所配屬的所述第一分 層(14a/14b/14c)連接； 將至少一個功率半導體構(gòu)件00)設(shè)置在第二分層上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第二分層(16a/16b/16c)的所述三維表面結(jié) 構(gòu)通過沖壓-彎曲技術(shù)由恒定厚度的金屬體構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第二分層(16a/16b/16c)的所述三維表面結(jié) 構(gòu)通過折疊恒定厚度的金屬體來構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，在相應(yīng)的所述第一分層(14a/14b/14c)與所述第 二分層(16a/16b/16c)之間的連接借助加壓燒結(jié)方法來構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，在布置了所述至少一個功率半導體構(gòu)件00)之 后，第二分層(16a)的區(qū)段(186)被再次變形并且在這種情況下部分地置于所述功率半導 體構(gòu)件00)上。
全文摘要
一種具有三維表面輪廓的襯底的功率半導體模塊及其制造方法，其具有襯底；用于對外電連接的連接元件；和大量功率半導體構(gòu)件，襯底具有電絕緣層，在電絕緣層上布置第一金屬層，第一金屬層自身被結(jié)構(gòu)化并進而構(gòu)成第一分層，在第一金屬層上布置帶至少一個第二分層的第二金屬層，第二分層具有三維表面輪廓。制造時以具有絕緣層及具有自身結(jié)構(gòu)化的進而構(gòu)成第一分層的第一金屬層的基礎(chǔ)襯底開始。接著，構(gòu)成第二金屬層使得構(gòu)成具有三維表面結(jié)構(gòu)的各個分層。在將第二分層布置在所配屬的第一分層上之后，將功率半導體構(gòu)件布置在第二金屬層上。其中對襯底進行了改進，該功率半導體模塊對于內(nèi)部電連接裝置的簡單布置方案也是行得通的。
文檔編號H01L23/48GK102110679SQ20101052825
公開日2011年6月29日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者湯姆斯·施托克邁爾 申請人:賽米控電子股份有限公司