專(zhuān)利名稱(chēng)：功率半導(dǎo)體模塊及制造功率半導(dǎo)體模塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體模塊以及制造功率半導(dǎo)體模塊的方法。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及具有短路故障模式能力的功率半導(dǎo)體模塊以及制造具有短路故障模式能力的功率半導(dǎo)體模塊的方法。
背景技術(shù)：
在例如用于HVDC應(yīng)用中的這類(lèi)模塊的串聯(lián)連接疊層等的高功率半導(dǎo)體模塊的情 況下，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)缺陷導(dǎo)致短路。對(duì)于大芯片面積，這種短路在長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。如果例如冗余晶閘管設(shè)置在串聯(lián)連接的晶閘管的疊層中，則其余完整無(wú)缺的晶閘管耐受關(guān)斷階段期間的電壓，并且該疊層保持為可操作。隨后能夠在計(jì)劃維修工作的過(guò)程中更換有缺陷的晶閘管。在晶閘管模塊中，例如，半導(dǎo)體(也就是說(shuō)硅)與兩個(gè)鑰晶圓進(jìn)行機(jī)械和電接觸并且設(shè)置在兩個(gè)鑰晶圓之間。硅(Si)具有1420°c的熔點(diǎn)，其中鑰(Mo)的熔點(diǎn)較高，并且硅和鑰的金屬間化合物具有甚至更高的熔點(diǎn)。因此，在存在缺陷的情況下，硅首先局部熔化，并且當(dāng)電流流動(dòng)時(shí)，它形成由半導(dǎo)體的整個(gè)厚度之上的熔化Si所組成的導(dǎo)電通道。這個(gè)缺陷區(qū)域能夠擴(kuò)散和/或移動(dòng)，但是僅將影響芯片面積的小部分。在密封殼體中，熔化Si沒(méi)有氧化，而是與鑰起反應(yīng)以形成一種類(lèi)型的粉末。這個(gè)過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行到已經(jīng)消耗所有Si，并且可能會(huì)延續(xù)數(shù)年。與晶閘管半導(dǎo)體組件形成對(duì)照，例如，絕緣柵雙極晶體管芯片不是作為大面積單元制造的，因此通常多個(gè)小面積的單獨(dú)芯片相互隔離并且并排設(shè)置在絕緣柵雙極晶體管模塊中。通常，小面積芯片的芯片尺寸是在O. 25cm2至IOcm2之間。當(dāng)今的作為大面積單元的一個(gè)示例的晶閘管具有IOcm2至300cm2的典型尺寸。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，例如對(duì)于絕緣柵雙極晶體管模塊，不能預(yù)計(jì)上述類(lèi)型的長(zhǎng)期穩(wěn)定短路。這主要是由于各個(gè)芯片的已減小面積以及小的硅體積。在這種情況下，短路的偽穩(wěn)態(tài)階段僅持續(xù)幾個(gè)小時(shí)至幾天。此外，殼體往往有意沒(méi)有密封，使得熔化硅能夠與氧起反應(yīng)，并且形成絕緣硅石(SiO2)。在有缺陷的芯片中沒(méi)有任何穩(wěn)定短路通路的情況下，能夠發(fā)生的最壞情況的情形如下所述如果模塊中的其余芯片(包括激勵(lì))仍然完整無(wú)缺，則它們能夠耐受關(guān)斷階段期間的電壓。然后迫使電流通過(guò)有缺陷芯片，并且在完整無(wú)缺的芯片的高達(dá)擊穿電壓的電壓下，能夠?qū)е滦纬删哂袠O高功率密度的等離子體。這引起整個(gè)模塊被破壞。為了避免這個(gè)問(wèn)題，從EP 0989611B1已知的是ー種功率半導(dǎo)體模塊，該模塊由小面積的單獨(dú)芯片來(lái)形成，并且其中単獨(dú)芯片的短路沒(méi)有導(dǎo)致模塊的整體故障。按照這種現(xiàn)有技術(shù)，使由適當(dāng)材料(例如銀)構(gòu)成的金屬層與硅半導(dǎo)體的主電極中的ー個(gè)或兩個(gè)直接接觸。這種金屬層的材料必須與半導(dǎo)體的硅形成共晶混合物。在短路的情況下，加熱整體夾合結(jié)構(gòu)(sandwich structure),—旦達(dá)到共晶混合物的熔點(diǎn)，導(dǎo)電熔化開(kāi)始在所述金屬層與硅之間的接觸表面上形成。這個(gè)區(qū)域則能夠在半導(dǎo)體的整個(gè)厚度之上擴(kuò)展，并且因而形成金屬導(dǎo)電通道，其又稱(chēng)作熱點(diǎn)。充分電接觸由此通過(guò)電接觸活塞來(lái)提供。
關(guān)于金屬層的厚度，金屬層必須提供足夠的材料來(lái)形成通過(guò)半導(dǎo)體的整個(gè)厚度的導(dǎo)電通道。如果金屬層的厚度是半導(dǎo)體厚度的至少50%，則情況通常是這樣。在理想情況下，金屬層的材料的摩爾量與硅的摩爾量之間的比率應(yīng)當(dāng)近似等于這些材料在相圖中的其共晶點(diǎn)處的摩爾比率，使得金屬導(dǎo)電通道由共晶材料形成。但是，在引起半導(dǎo)體器件中的大溫度擺動(dòng)的高額定功率的正常操作條件下，引入與半導(dǎo)體接觸的金屬層在間歇工作負(fù)載(IOL)下產(chǎn)生熱機(jī)疲勞的問(wèn)題，并且能夠因相接觸的半導(dǎo)體芯片與金屬層之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)的差而引起磨損。這可能潛在地引起半導(dǎo)體芯片的提早故障。 因此，從US 7538436B2已知的是ー種包括使之與半導(dǎo)體芯片的主電極中的ー個(gè)或兩個(gè)直接接觸的層的高功率壓接封裝半導(dǎo)體模塊，使用在接觸界面的平面中隨機(jī)定向的、熱膨脹系數(shù)能夠調(diào)整成與硅的熱膨脹系數(shù)接近或匹配的值的ニ維短石墨纖維、由金屬基質(zhì)合成物(MMC)材料來(lái)制成所述層。使用對(duì)半導(dǎo)體器件施加壓カ的接觸活塞的這些半導(dǎo)體模塊的主要缺點(diǎn)之ー是其老化行為。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，存在滲透接觸部之間的硅凝膠導(dǎo)致電流通路的歐姆電阻増加的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)電阻還通過(guò)芯片的電極與模塊的外部電接觸部之間數(shù)個(gè)這樣形成的干式接觸部來(lái)增カロ。此外，其電流負(fù)載受到彈簧形狀限制。此外，這種半導(dǎo)體模塊的制造是復(fù)雜并且成本極聞的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的ー個(gè)目的是提供一種將消除本領(lǐng)域已知的至少ー個(gè)缺點(diǎn)的改進(jìn)功率半導(dǎo)體模塊。本發(fā)明的另ー個(gè)目的是提供一種制造將消除本領(lǐng)域已知的至少ー個(gè)缺點(diǎn)的功率半導(dǎo)體模塊的改進(jìn)方法。尤其是，本發(fā)明的ー個(gè)目的是提供一種功率半導(dǎo)體模塊及其制造方法，其中制造方法易于執(zhí)行，并且其中功率半導(dǎo)體模塊具有良好短路故障模式能力和提高的可靠性。該目的通過(guò)如權(quán)利要求I所述的功率半導(dǎo)體模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外,此目的通過(guò)如權(quán)利要求16所述的制造功率半導(dǎo)體模塊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在從屬權(quán)利要求中定義了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明涉及ー種功率半導(dǎo)體模塊，包括半導(dǎo)體器件，尤其是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管(RC IGBT)或者雙模絕緣柵晶體管(BIGT)，其具有發(fā)射電極和集電極，其中導(dǎo)電上層通過(guò)燒結(jié)接合連接到發(fā)射電極，上層的材料至少部分地能夠與半導(dǎo)體器件的材料形成共晶體，并且至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是250%以下(< 250% )、尤其是50%以下(< 50% )，以及其中導(dǎo)電基板通過(guò)另ー個(gè)燒結(jié)接合連接到集電極，以及其中半導(dǎo)體模塊還包括與基板電絕緣并且經(jīng)由直接電連接連接到上層的導(dǎo)電區(qū)。按照本發(fā)明，上層包括通過(guò)燒結(jié)過(guò)程使半導(dǎo)體器件或者其發(fā)射極相應(yīng)地與其直接接觸的適當(dāng)材料。該層的所述材料必須與半導(dǎo)體、特別是與硅相應(yīng)地形成共晶體或共晶混合物。在短路的情況下，加熱整體夾合結(jié)構(gòu)，一旦達(dá)到共晶混合物的熔點(diǎn)，導(dǎo)電熔化開(kāi)始在所述層與半導(dǎo)體之間的接觸表面上形成。這個(gè)區(qū)域則能夠在半導(dǎo)體的整個(gè)厚度之上擴(kuò)展，并且因而形成金屬導(dǎo)電通道。因此，按照本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊提供短路故障模式(SCFM)能力。因此，按照本發(fā)明的短路故障模式能力基于因故障所誘發(fā)的能量耗散而引起的材料熔化。硅芯片以及附連到其發(fā)射極接觸部的諸如鋁、金、銅或銀之類(lèi)的適當(dāng)金屬部分熔化并且產(chǎn)生高導(dǎo)電合金，即所謂的熱點(diǎn)。由于按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的短路故障模式能力，這些模塊可優(yōu)選地是電壓源轉(zhuǎn)換器(VSC)的組件，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S所述轉(zhuǎn)換器的長(zhǎng)期可靠操作。在短路的情況下，它們不再能夠進(jìn)行切換。但是，它們?nèi)匀豢蓴y帯負(fù)載電流。主要地，在系統(tǒng)中存在冗余度，并且其它模塊能夠共享電壓，因?yàn)槌龉收系哪K僅具有電阻器的功能。轉(zhuǎn)換器或半導(dǎo)體模塊 相應(yīng)地則通常僅要求常規(guī)的計(jì)劃維護(hù)來(lái)更換出故障模塊。另外，由于上層的熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是< 50%的事實(shí)，所以半導(dǎo)體模塊內(nèi)部、尤其是上層與半導(dǎo)體之間的應(yīng)カ可減小。這產(chǎn)生如下優(yōu)點(diǎn)功率模塊內(nèi)部的內(nèi)部應(yīng)カ的風(fēng)險(xiǎn)沒(méi)有超過(guò)上限，并且因而降低形成裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。如果半導(dǎo)體器件是高功率半導(dǎo)體器件、特別是高功率絕緣柵雙極晶體管，則這種效果特別重要。因此，按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的可靠性得到提高。由于將上層以及基板相應(yīng)地?zé)Y(jié)到半導(dǎo)體或者其電極的事實(shí)，因而不需要提供通過(guò)將壓力施加到上層的接觸活塞所形成的干式接觸部。因此，發(fā)射電極或者上層可相應(yīng)地通過(guò)適合于預(yù)期應(yīng)用的任何連接來(lái)接觸。作為ー個(gè)示例，發(fā)射電極能夠通過(guò)釬焊、燒結(jié)、超聲焊接、瞬態(tài)接合等等，來(lái)連接到電流引線。適當(dāng)?shù)?，這些連接和引線耐受短路故障模式中出現(xiàn)的電流負(fù)載。另外，功率半導(dǎo)體模塊包括與基板電隔離或絕緣并且經(jīng)由直接電連接連接到上層的導(dǎo)電區(qū)。因此，發(fā)射電極或者上層相應(yīng)地經(jīng)由直接電連接、即從上層直接行進(jìn)到導(dǎo)電區(qū)的一種橋接來(lái)接觸，其中又可按照預(yù)期應(yīng)用來(lái)接觸導(dǎo)電區(qū)。因此，可省略包括特別是在接觸活塞與其連接的半導(dǎo)體模塊的上殼體中的復(fù)雜電流連接或者模塊功率連接的復(fù)雜布置。因此，可通過(guò)簡(jiǎn)單的方式制造按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊?？芍苯釉诠β拾雽?dǎo)體器件或上層之上相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)接合。因此，導(dǎo)電區(qū)可用于提供互連，以便形成電路和/或冷卻這些組件。這在高功率半導(dǎo)體模塊領(lǐng)域中是特別有利的，因?yàn)樗鼈兛蓴y帯高電流。它們可優(yōu)選地工作在大溫度范圍，特別是高達(dá)150或200°C或者甚至更高。按照本發(fā)明的共晶體或者共晶混合物由此相應(yīng)地是具有単一化學(xué)成分的元素、特別是金屬或化學(xué)化合物的混合物。此外并且必要地，這種單一化學(xué)成分的熔點(diǎn)位于相應(yīng)地低于形成它的金屬或不同化學(xué)化合物的熔點(diǎn)或熔化區(qū)的溫度。因此，共晶體是形成熱點(diǎn)所必要的。在這方面，尤其是在短路的情況下，上層形成共晶體。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，上層包括至少兩個(gè)子層，其中下子層能夠與半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體形成共晶體，并且其中上子層具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是< 50%。在這種情況下，上層分為兩個(gè)子層，以此為依據(jù)，上層的性質(zhì)可按照簡(jiǎn)單方式來(lái)適合預(yù)期應(yīng)用。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，下子層可選擇成在短路的情況下完全形成預(yù)期共晶體，而上子層可根據(jù)半導(dǎo)體器件的預(yù)期熱膨脹系數(shù)來(lái)選擇。因此，完全可適合所需應(yīng)用的上層的大量可能的配置是可能的。例如，可使用具有適當(dāng)熱膨脹系數(shù)的價(jià)格更低的材料作為半導(dǎo)體芯片與發(fā)射極接合之間的緩沖。即使上子層與半導(dǎo)體器件之間不存在直接接觸，但是總之重要的是提供具有適合于半導(dǎo)體熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)的上子層。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，上子層與下子層緊密接觸。因此，在下子層經(jīng)受熱膨脹或者與此相反經(jīng)受收縮的情況下，這種熱行為受到上子層影響。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，下子層的膨脹和/或收縮受到上子層影響，因而適合于上子層的行為并且因而適合半導(dǎo)體器件的行為。因此，由于提供具有適合于與半導(dǎo)體器件或半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相應(yīng)地匹配的熱膨脹系數(shù)的上子層，所以降低了變?yōu)閮?nèi)部損壞、特別是裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。因此，按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊在 可靠性方面得到改進(jìn)。下子層和上子層可相互燒結(jié)在一起，由此允許在一個(gè)步驟將兩個(gè)子層或者上層相應(yīng)地?zé)Y(jié)到半導(dǎo)體器件。備選地，兩個(gè)子層可相互燒結(jié)在一起，由此形成預(yù)成型件，預(yù)成型件又燒結(jié)到半導(dǎo)體器件。可優(yōu)選的是，下子層包括鋁，和/或上子層包括鑰。這些化合物呈現(xiàn)預(yù)期性質(zhì)。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，鋁與半導(dǎo)體形成適當(dāng)共晶體，半導(dǎo)體一般包括硅。另外，鑰的熱膨脹系數(shù)的范圍是硅的熱膨脹系數(shù)的200%以下、尤其是硅的熱膨脹系數(shù)的大約160%。在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，上層包括合成物，尤其是鋁-石墨合成物。按照這個(gè)實(shí)施例，按照本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊特別易于制備。子層主要包括可燒結(jié)到半導(dǎo)體器件的ー種化合物。因此，不需要對(duì)兩個(gè)子層進(jìn)行預(yù)成型以形成上層或者在ー個(gè)步驟燒結(jié)三層。具體來(lái)說(shuō)，鋁-石墨合成物關(guān)于共晶體的形成以及關(guān)于其熱膨脹系數(shù)具有適當(dāng)性質(zhì)。在這方面，熱點(diǎn)的使用期限可得到改進(jìn)，并且此外，通過(guò)在Al-石墨部分的表面上添加Al表層,來(lái)減少形成熱點(diǎn)所需的時(shí)間。在本發(fā)明的另ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，基板至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是< 50%。這使半導(dǎo)體模塊內(nèi)部、特別是基板與半導(dǎo)體之間的應(yīng)力能夠降低。因此，半導(dǎo)體模塊內(nèi)部的內(nèi)部應(yīng)カ的風(fēng)險(xiǎn)沒(méi)有超過(guò)上限，并且因而降低形成裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)ー步優(yōu)選的是，基板包括鑰、銅-鑰或者鋁-石墨。尤其是，鑰的熱膨脹系數(shù)的范圍是硅的熱膨脹系數(shù)的200%以下、尤其是硅的熱膨脹系數(shù)的大約160%。因此，使功率半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的裂縫或損壞的風(fēng)險(xiǎn)為最小。此外，導(dǎo)電使得按照本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊適合于各種應(yīng)用。在本發(fā)明的另ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電區(qū)形成為陶瓷襯底或金屬襯底，例如直接接合銅(DBC)襯底或者活性金屬銅(AMB)襯底。按照本發(fā)明的這種襯底尤其包括瓷磚、特別是氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)或者氧化鈹(BeO)，其中適當(dāng)金屬片、特別是銅片或鋁片接合到ー側(cè)或兩側(cè)。按照本發(fā)明的這種襯底的使用由于其極好的導(dǎo)熱性而是有利的。這種襯底的另ー個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它的與半導(dǎo)體、特別是硅的熱膨脹系數(shù)接近的低熱膨脹系數(shù)，尤其是與純金屬相比。這確保良好的熱循環(huán)性能。它們還具有優(yōu)良的電絕緣和良好的散熱特性。襯底的金屬層的電流能力能夠通過(guò)接合例如由鑰、鋁石墨或銅-鑰所制成的具有與之匹配的熱膨脹系數(shù)的附加高導(dǎo)電部分或?qū)觼?lái)得到提高。在本發(fā)明的另ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，將至少兩個(gè)半導(dǎo)體器件燒結(jié)到ー個(gè)基板，其發(fā)射電極連接到一個(gè)導(dǎo)電區(qū)。這允許形成各種同等復(fù)雜(even complex)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生功率半導(dǎo)體模塊的各種適當(dāng)應(yīng)用。
此外，優(yōu)選的是，導(dǎo)電區(qū)和/或上層和/或基板通過(guò)接觸活塞來(lái)接觸。在這方面，接觸活塞尤其提供導(dǎo)電區(qū)的外部接觸部。即使不嚴(yán)格要求提供接觸活塞，但是為外部接觸部提供活塞會(huì)是有利的。這尤其允許外部接觸部的電流的垂直通路，其中大量電流流經(jīng)活塞。作為ー個(gè)示例，例如，與例如線接合(wire bond)等接合相比,有可能引導(dǎo)高得多的電流通過(guò)活塞。由于不要求接觸活塞來(lái)形成相應(yīng)層之間的干式接觸部的事實(shí)，所以不要求高壓力。因此，沒(méi)有降低可靠性。
在另ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)外部端子來(lái)接觸導(dǎo)電區(qū)，并且通過(guò)外部端子來(lái)接觸基板。這個(gè)實(shí)施例提供到外部接觸裝置的簡(jiǎn)單并且節(jié)省成本的電接觸。例如，端子可由適當(dāng)金屬板形成。在本發(fā)明的另ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，電連接通過(guò)釬焊或焊接來(lái)接合。這是特別簡(jiǎn)易并且可靠的連接，由此不要求接觸活塞。在本發(fā)明的另ー個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，基板是導(dǎo)電的，并且優(yōu)選地在功率半導(dǎo)體(12)的相對(duì)側(cè)上具有接觸表面，該接觸表面與燒結(jié)接合直接電接觸。這個(gè)導(dǎo)電基板允許堆疊多個(gè)模塊。通過(guò)堆疊這些模塊，作為模塊的發(fā)射極接觸部的下模塊的上接觸部接觸作為模塊的集電極接觸部的上模塊的下接觸部。此外，本發(fā)明涉及一種制造功率半導(dǎo)體模塊的方法，包括提供半導(dǎo)體器件，尤其是絕緣柵雙極晶體管、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管或者雙模絕緣柵晶體管，其具有發(fā)射電極和集電極；將導(dǎo)電上層燒結(jié)到發(fā)射電極，上層至少部分地能夠與半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體形成共晶體，并且至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是< 50%;將導(dǎo)電基板燒結(jié)到集電極，在基板上提供導(dǎo)電區(qū)，使得導(dǎo)電區(qū)與所述基板電絕緣，并且經(jīng)由直接電連接來(lái)連接到上層。按照以上所述，易于對(duì)按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊進(jìn)行預(yù)成型，從而產(chǎn)生以上針對(duì)按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊所述的優(yōu)點(diǎn)。


在權(quán)利要求書(shū)部分、附圖以及以下對(duì)相應(yīng)附圖和示例的描述中公開(kāi)本發(fā)明的主題的附加特征、特性和優(yōu)點(diǎn)，以示范方式示出按照本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊的ー個(gè)實(shí)施例和示例。附圖中圖I示出按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的ー個(gè)實(shí)施例的一部分的局部截面?zhèn)纫晥D；圖2示出按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的ー個(gè)實(shí)施例的局部截面?zhèn)纫晥D；圖3示出按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的另一個(gè)實(shí)施例的局部截面?zhèn)纫晥D。參考標(biāo)號(hào)列表10半導(dǎo)體模塊12半導(dǎo)體器件14 上層16下子層18上子層20 基板
22電連接24導(dǎo)電區(qū)26接觸層28接觸活塞
具體實(shí)施例方式圖I中，示意示出按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊10的布置的一部分。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體模塊10相應(yīng)地包括功率半導(dǎo)體芯片或者功率半導(dǎo)體器件12。通過(guò)示范方式，半導(dǎo) 體器件12可以是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管(RC IGBT)、雙模絕緣柵晶體管(BIGT)、ニ極管、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等等。按照本發(fā)明，半導(dǎo)體器件12設(shè)計(jì)用于相應(yīng)地形成功率半導(dǎo)體模塊或者高功率半導(dǎo)體模塊，因而特別適合于其中使用大電流量的高功率應(yīng)用。半導(dǎo)體器件12相應(yīng)地包括其上側(cè)的發(fā)射電極或陽(yáng)極以及其下側(cè)的集電極或陰極。更一般來(lái)說(shuō)，發(fā)射電極形成半導(dǎo)體器件12的負(fù)載連接，并且集電極形成半導(dǎo)體器件12的另ー個(gè)負(fù)載連接。此外，半導(dǎo)體器件12可包括用于控制半導(dǎo)體器件的柵電極等。將上層14相應(yīng)地?zé)Y(jié)到半導(dǎo)體器件12或者發(fā)射電極(陽(yáng)極)。因此，上層14通過(guò)燒結(jié)接合連接到發(fā)射電扱。作為ー個(gè)示例，上層14可通過(guò)低溫接合、銀納米燒結(jié)過(guò)程等等，燒結(jié)到半導(dǎo)體器件12。上層14至少部分地能夠與半導(dǎo)體器件12的半導(dǎo)體形成共晶體。換言之，上層14包括能夠與半導(dǎo)體器件12形成共晶體的材料。尤其是，相應(yīng)半導(dǎo)體器件12包括硅。此外，上層14至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是<50%。這可通過(guò)不同方式實(shí)現(xiàn)。作為ー個(gè)示例，上層14可包括至少兩個(gè)子層。按照?qǐng)D1，上層14包括下子層16和上子層18。在這方面，特別優(yōu)選的是，下子層16能夠與半導(dǎo)體器件12的材料、特別是與硅形成共晶體。因此，下子層16可由鋁、銀、金或銅來(lái)形成。此外，所述金屬的合金也會(huì)是可能的。由此，上子層18具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是<50%。這可通過(guò)形成鑰的上子層18來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，下子層16以及上子層18可由適合的并且呈現(xiàn)所需性質(zhì)的任何材料來(lái)形成。為了能夠形成通過(guò)半導(dǎo)體器件12的共晶體的導(dǎo)電通道，上層14必須提供足夠的材料以形成這種通道。為此，相應(yīng)地，上層14的厚度或者下子層18的厚度應(yīng)當(dāng)至少為半導(dǎo)體器件12的厚度的50%，和/或應(yīng)當(dāng)具有至少O. Imm的厚度、更優(yōu)選地為至少O. 5mm的厚度以及最優(yōu)選地具有至少O. 8mm的厚度。實(shí)際上，上層14或下子層18的厚度取決于半導(dǎo)體器件的厚度，半導(dǎo)體器件的厚度又取決于電氣規(guī)范，即，取決于半導(dǎo)體器件12的閉塞電壓。下子層16和上子層18可作為預(yù)成型件來(lái)提供。預(yù)成型件的厚度通常在O. 2mm至5_的范圍之內(nèi)。因此，例如，它們可通過(guò)燒結(jié)過(guò)程來(lái)連接。在用于制造按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊10的另ー個(gè)步驟中，預(yù)成型件可燒結(jié)到半導(dǎo)體器件12或者相應(yīng)地?zé)Y(jié)到半導(dǎo)體器件12的發(fā)射極側(cè)或發(fā)射電極。備選地，下子層16和上子層18可燒結(jié)在一起并且在一個(gè)步驟中燒結(jié)到半導(dǎo)體器件12。還有可能通過(guò)例如層壓、銅焊或軋制包覆等的不同技術(shù)，來(lái)將下子層16連接到上子層18。
在一個(gè)備選實(shí)施例中，上層14可主要包括ー個(gè)成分。在這種情況下，最優(yōu)選的是，主成分包括合成材料。上層14可由例如鋁-石墨合成物來(lái)形成。這個(gè)化合物關(guān)于共晶體的形成以及關(guān)于熱膨脹系數(shù)具有預(yù)期性質(zhì)。作為上層14的主成分的另ー個(gè)示例包括招-鑰-招(Al-Mo-Al)置層。另外，將基板20燒結(jié)到半導(dǎo)體器件12或者相應(yīng)地到其集電極側(cè)或集電極(陰扱)。因此，形成基板20與半導(dǎo)體器件12之間的燒結(jié)接合。例如，可使用例如以上所述的燒結(jié)過(guò)程?；?0優(yōu)選地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體器件的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是< 50%。例如，這可通過(guò)形成鑰、銅-鑰合金或者鋁-石墨合成物的基板20來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，基板2 0是導(dǎo)電的。尤其是，與基板20的、半導(dǎo)體器件12通過(guò)燒結(jié)接合來(lái)連接在其上的表面相対的基板20的表面形成用于接觸功率半導(dǎo)體模塊10的接觸表面。因此，基板20的該接觸表面與燒結(jié)接合直接電接觸。基板20用作模塊的底座或支承。由上層14所形成的發(fā)射電極接觸部則可通過(guò)適當(dāng)技術(shù)、例如通過(guò)超聲焊接、燒結(jié)、釬焊等等來(lái)接觸。由此，應(yīng)當(dāng)形成能夠耐受故障事件以及此后的所需電流負(fù)載的連接。這種結(jié)構(gòu)的示例如圖2所示。按照?qǐng)D2，在一個(gè)非限制性示例中，上層14包括下子層16以及上子層18，以便關(guān)于熱膨脹系數(shù)以及共晶體的形成得到所需性質(zhì)。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，經(jīng)由到導(dǎo)電區(qū)24的電連接22、優(yōu)選地經(jīng)由到導(dǎo)電區(qū)24的高電流連接來(lái)接觸發(fā)射電極，導(dǎo)電區(qū)24與基板20電絕緣。例如，導(dǎo)電區(qū)24可優(yōu)選地是直接接合銅襯底(DBC襯底)。電連接22可由例如銅、鑰或者鑰和銅的合金來(lái)形成，并且應(yīng)當(dāng)耐受至少50A和/或高達(dá)2000A或以上的電流和/或200°C或更高的溫度?？捎设€、鋁-石墨、銅-鑰、銅、金、銀或者其合金來(lái)形成的接觸層26、尤其是高導(dǎo)電層可設(shè)置為導(dǎo)電區(qū)24與電連接22之間的界面，以便提高襯底的金屬層的電流能力。優(yōu)選地，接觸層26具有與襯底的金屬層的熱膨脹系數(shù)匹配的熱膨脹系數(shù)。此外，導(dǎo)電區(qū)24和/或接觸層26設(shè)置在基板20的與半導(dǎo)體器件12相同的ー側(cè)上。因此，按照本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊10具有適當(dāng)短路故障模式能力，這可通過(guò)熱點(diǎn)的熱誘發(fā)形成來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此按照本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊10極為可靠。因此，一種制造功率半導(dǎo)體模塊10的方法包括提供半導(dǎo)體器件12，尤其是絕緣柵雙極晶體管、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管或者雙模絕緣柵晶體管，其具有發(fā)射電極和集電極；將導(dǎo)電上層14燒結(jié)到發(fā)射電極，上層14至少部分地能夠與半導(dǎo)體器件12的半導(dǎo)體形成共晶體，并且至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是彡250%、尤其是彡50% ;將導(dǎo)電基板20燒結(jié)到集電極，基板20優(yōu)選地至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是^ 250%、尤其是< 50% ;在基板20上提供導(dǎo)電區(qū)24，使得導(dǎo)電區(qū)24與所述基板20電絕緣，并且經(jīng)由直接電連接22來(lái)連接到上層14。圖3中，示出本發(fā)明的另ー個(gè)實(shí)施例。按照?qǐng)D3，將兩個(gè)半導(dǎo)體器件12燒結(jié)在ー個(gè)基板20上，其發(fā)射電極連接到一個(gè)導(dǎo)電區(qū)24。這樣形成的子模塊允許為高功率應(yīng)用提供復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，通過(guò)接觸活塞28來(lái)接觸導(dǎo)電區(qū)24和/或上層或者相應(yīng)地接觸發(fā)射電極。因此，雖然因相應(yīng)層的燒結(jié)連接而不需要半導(dǎo)體器件12的表面上的高壓カ用于形成按照本發(fā)明的干式接觸，但是仍然有可能提供半導(dǎo)體模塊10的一種壓接封裝設(shè)計(jì)。ー種可能的布置可在每個(gè)子模塊的中心相應(yīng)地提供少量接觸活塞28或者彈簧，其中接觸活塞28直接接合到電引線、導(dǎo)電區(qū)24或者接觸層26。一種備選布置可在半導(dǎo)體模塊10的每個(gè)角中包括ー個(gè)接觸活塞28，其中接觸活塞28又直接接合到電引線、導(dǎo)電區(qū)24或者接觸層26。代替接觸活塞28，有可能直接提供一個(gè)或多個(gè)常規(guī)外部端子，用于在外部相應(yīng)地接觸半導(dǎo)體器件12或者子模塊或者導(dǎo)電區(qū)24和基板。雖然在附圖和以上描述中詳細(xì)說(shuō)明和描述了本發(fā)明，但是這種說(shuō)明和描述被認(rèn)為是說(shuō)明性或示范性而不是限制性的；本發(fā)明并不局限于所公開(kāi)的實(shí)施例。通過(guò)研究附圖、本公開(kāi)和所附權(quán)利要求書(shū)，對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的其它變更是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解并且在實(shí)施要求保護(hù)的本發(fā)明中能夠?qū)崿F(xiàn)。在權(quán)利要求書(shū)中，詞語(yǔ)“包括”并不排除其它元件或步驟，以及不定冠詞“一”、“ー個(gè)”并不排除多個(gè)。在互不相同的從屬權(quán)利要求中陳述某些量度的事實(shí)并不表示這些量度的組合不能用于形成有利因素。權(quán)利要求書(shū)中的任何參考標(biāo)號(hào)不應(yīng)當(dāng)被理解為限制范圍。權(quán)利要求
1.ー種功率半導(dǎo)體模塊，包括半導(dǎo)體器件(12)，尤其是絕緣柵雙極晶體管、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管或者雙模絕緣柵晶體管，其具有發(fā)射電極和集電極，其中導(dǎo)電上層(14)通過(guò)燒結(jié)接合連接到發(fā)射電極，所述上層(14)的材料至少部分地能夠與所述半導(dǎo)體器件(12)的材料形成共晶體，并且所述上層(14)至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體器件的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是< 50%，以及其中導(dǎo)電基板(20)通過(guò)另ー個(gè)燒結(jié)接合連接到所述集電極，以及其中所述功率半導(dǎo)體模塊(10)還包括與所述基板(20)電絕緣并且經(jīng)由直接電連接(22)連接到所述上層(14)的導(dǎo)電區(qū)(24)。
2.如權(quán)利要求I所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述上層(14)包括至少兩個(gè)子層，其中下子層(16)能夠與所述半導(dǎo)體器件(12)的半導(dǎo)體形成共晶體，并且其中上子層(18)具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是< 50%。
3.如權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述下子層(16)包括鋁、銀、金或銅，和/或其中所述上子層(18)包括鑰，和/或其中所述下子層(18)的厚度至少為所述半導(dǎo)體組件(12)的厚度的50%。
4.如權(quán)利要求I所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述上層(14)包括合成材料，尤其是鋁-石墨合成物或者鋁-鑰-鋁疊層。
5.如權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述上層(14)的厚度至少為所述半導(dǎo)體器件(12)的厚度的50%，和/或具有至少O. 05mm、更優(yōu)選地為至少O.2mm以及最優(yōu)選地為至少O. 3mm的厚度。
6.如權(quán)利要求I至4中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述基板(20)至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是く 250%、尤其是彡50%。
7.如權(quán)利要求5所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述基板(20)包括銅、鑰、銅-鑰或者鋁-石墨。
8.如權(quán)利要求I至6中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述導(dǎo)電區(qū)(24)形成為直接接合銅襯底或者活性金屬銅襯底。
9.如權(quán)利要求I至7中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，將至少兩個(gè)半導(dǎo)體器件(12)燒結(jié)到ー個(gè)基板(20)，其發(fā)射電極連接到一個(gè)導(dǎo)電區(qū)(24)。
10.如權(quán)利要求I至8中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述導(dǎo)電區(qū)(24)和/或所述上層(14)和/或所述基板通過(guò)接觸活塞來(lái)接觸。
11.如權(quán)利要求I至9中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述導(dǎo)電區(qū)(24)通過(guò)外部端子來(lái)接觸，并且所述基板(20)通過(guò)外部端子來(lái)接觸。
12.如權(quán)利要求I至10中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述電連接(22)通過(guò)釬焊或焊接或燒結(jié)來(lái)接合。
13.如權(quán)利要求I至11中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述基板(20)是導(dǎo)電的，并且優(yōu)選地在所述功率半導(dǎo)體(12)的相對(duì)側(cè)上具有接觸表面，所述接觸表面與所述燒結(jié)接合直接電接觸。
14.如權(quán)利要求I至12中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述半導(dǎo)體器件(12)和所述導(dǎo)電區(qū)(24)設(shè)置在所述基板(20)的同一側(cè)。
15.如權(quán)利要求I至13中的任一項(xiàng)所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，所述半導(dǎo)體模塊提供短路故障模式能力。
16.一種制造功率半導(dǎo)體模塊(10)的方法，包括 -提供半導(dǎo)體器件(12)，尤其是絕緣柵雙極晶體管、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管或者雙模絕緣柵晶體管，其具有發(fā)射電極和集電極， -將導(dǎo)電上層(14)燒結(jié)到所述發(fā)射電極，所述上層(14)至少部分地能夠與所述半導(dǎo)體器件(12)的半導(dǎo)體形成共晶體，并且至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)該熱膨脹系數(shù)與所述半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是< 250%、尤其是< 50%， -將導(dǎo)電基板(20)燒結(jié)到所述集電扱， -在所述基板(20)上提供導(dǎo)電區(qū)(24)，使得所述導(dǎo)電區(qū)(24)與所述基板(20)電絕緣，并且經(jīng)由直接電連接(22)連接到所述上層(14)。
全文摘要
本發(fā)明名稱(chēng)為功率半導(dǎo)體模塊及制造功率半導(dǎo)體模塊的方法，涉及功率半導(dǎo)體模塊，包括半導(dǎo)體器件(12)，尤其是絕緣柵雙極晶體管、反向?qū)щ娊^緣柵雙極晶體管或雙模絕緣柵晶體管，具有發(fā)射電極和集電極，將導(dǎo)電上層(14)燒結(jié)到發(fā)射電極，上層(14)至少部分地能夠與半導(dǎo)體器件(12)的半導(dǎo)體形成共晶體，且至少部分地具有如下熱膨脹系數(shù)與半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)相差的范圍是≤250％、尤其是≤50％，以及將導(dǎo)電基板(20)燒結(jié)到集電極。半導(dǎo)體模塊(10)還包括與基板(20)電隔離且經(jīng)由直接電連接(22)連接到上層(14)的導(dǎo)電區(qū)(24)。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊易于制備，具有改進(jìn)可靠性且呈現(xiàn)短路故障模式能力。
文檔編號(hào)H01L21/50GK102646667SQ201210046920
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月18日
發(fā)明者N·舒爾茨, S·基辛, 柳春雷 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司