帶有印制電路板的半導(dǎo)體模塊及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的一個(gè)方面涉及半導(dǎo)體模塊。半導(dǎo)體模塊包括印制電路板（4）、陶瓷襯底（2）和半導(dǎo)體芯片（25）。印制電路板（4）具有絕緣材料（40）、構(gòu)造在絕緣材料（40）中的凹部（44）以及第一金屬化層（41，42），其部分地嵌入絕緣材料（40）中。第一金屬化層（41，42）具有印制導(dǎo)線凸起（411，421），其伸入凹部（44）中。陶瓷襯底（2）具有介電的陶瓷絕緣載體（20）以及施加在絕緣載體（20）的上側(cè)（20t）上的上襯底金屬化部（21）。半導(dǎo)體芯片（25）布置在上襯底金屬化部（21）上并且第一金屬化層（41，42）在印制導(dǎo)線凸起（411，421）處與上襯底金屬化部（21）機(jī)械地和導(dǎo)電地連接。
【專利說明】帶有印制電路板的半導(dǎo)體模塊及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體模塊。許多傳統(tǒng)的半導(dǎo)體模塊具有以注塑技術(shù)制造的、預(yù)制的殼體，該殼體被構(gòu)造為殼體框架，在其中布置有半導(dǎo)體芯片。殼體框架的內(nèi)部在此可以用娃酮澆注材料澆注。這種預(yù)制的半導(dǎo)體模塊為了進(jìn)一步的布線經(jīng)常被安裝在強(qiáng)電流印制電路板處?？蛇x地，在強(qiáng)電流印制電路板上于是還可以安置驅(qū)動(dòng)電路板用于操控處于半導(dǎo)體模塊中的半導(dǎo)體芯片。該半導(dǎo)體模塊和強(qiáng)電流印制電路板首先彼此無關(guān)地被制造并且稍后才相互連接。

【背景技術(shù)】
[0002]在另外的傳統(tǒng)的半導(dǎo)體模塊中，將半導(dǎo)體芯片直接加入到印制電路板中。為此，必須在印制電路板制造商處進(jìn)行半導(dǎo)體芯片與印制電路板的連接，然而印制電路板制造商通常不能動(dòng)用為此所需的經(jīng)驗(yàn)，然而這些經(jīng)驗(yàn)由于大多大面積的半導(dǎo)體芯片而對(duì)于制造在質(zhì)量上高質(zhì)量的連接一定是需要的。代替地，在半導(dǎo)體芯片和印制電路板之間的連接也可以在半導(dǎo)體模塊的制造商處進(jìn)行。但是印制電路板為了進(jìn)一步處理于是必須連同處于其上的、未被保護(hù)的半導(dǎo)體芯片一起又被遞送給印制電路板制造商，在那里例如還施加一個(gè)或多個(gè)預(yù)浸覆層(Prepreg_Lagen)。此外,半導(dǎo)體芯片的還未與印制電路板連接的端子必須被電鍍地涂層，以便能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體芯片與印制電路板的要施加的另外的金屬化覆層接觸。然而當(dāng)在印制電路板制造商處加工已經(jīng)裝備有半導(dǎo)體芯片的、部分完成的(teilfertig)印制電路板時(shí)存在損壞未被保護(hù)的半導(dǎo)體芯片的危險(xiǎn)。此外，將電鍍涂層施加到已經(jīng)安裝在部分完成的印制電路板的半導(dǎo)體芯片的端子上由于所需的沉積厚度而是非常昂貴的。
[0003]另外的問題在于，半導(dǎo)體芯片可以具有例如直至200W/cm2的非常高的熱強(qiáng)度，使得所積累的熱量由于在印制電路板技術(shù)中使用的環(huán)氧樹脂的小(典型地< lW/mK)的導(dǎo)熱性而僅僅不充分地被導(dǎo)出。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的任務(wù)在于，提供半導(dǎo)體模塊以及用于制造半導(dǎo)體模塊的方法，該半導(dǎo)體模塊具有簡(jiǎn)單并且由此成本低的結(jié)構(gòu)并且其中在半導(dǎo)體芯片中積累的損耗熱量可以良好地被導(dǎo)出。
[0005]該任務(wù)通過按照權(quán)利要求1的半導(dǎo)體模塊以及通過按照權(quán)利要求17的用于制造半導(dǎo)體模塊的方法來解決。本發(fā)明的擴(kuò)展方案和改進(jìn)方案是從屬權(quán)利要求的主題。
[0006]半導(dǎo)體模塊包括印制電路板和陶瓷襯底。印制電路板具有絕緣材料、構(gòu)造在絕緣材料中的凹部、以及第一金屬化層，所述第一金屬化層部分地嵌入該絕緣材料中并且具有印制導(dǎo)線凸起，所述印制導(dǎo)線凸起伸入凹部中。在此，第一金屬化層可以可選地在印制導(dǎo)線凸起的整個(gè)區(qū)域中從絕緣材料上被剝離。陶瓷襯底包含介電的陶瓷絕緣載體，以及施加到絕緣載體的上側(cè)上的上襯底金屬化部。在上襯底金屬化部上以及由此也在陶瓷襯底上布置有半導(dǎo)體芯片。第一金屬化層在印制導(dǎo)線凸起處與上襯底金屬化部導(dǎo)電連接。
[0007]在用于制造半導(dǎo)體模塊的方法中提供印制電路板和陶瓷襯底。印制電路板具有絕緣材料、構(gòu)造在絕緣材料中的凹部、以及部分地嵌入到絕緣材料中并且具有印制導(dǎo)線凸起的第一金屬化層，其中該印制導(dǎo)線凸起伸入到凹部中。同樣，提供陶瓷襯底，其具有介電的陶瓷絕緣載體；以及上襯底金屬化部，其施加到絕緣載體的上側(cè)上。陶瓷襯底裝備有半導(dǎo)體芯片，該半導(dǎo)體芯片布置在上襯底金屬化部上。在第一金屬化層和上襯底金屬化部之間建立導(dǎo)電連接，其方式是，將第一金屬化層在印制導(dǎo)線凸起處與上襯底金屬化部導(dǎo)電連接。
[0008]本發(fā)明因此規(guī)定:印制電路板的印制導(dǎo)線的伸入到印制電路板的凹部中的印制導(dǎo)線凸起與陶瓷襯底的上襯底金屬化部連接。由此產(chǎn)生如下可能性:將半導(dǎo)體芯片完全或部分地布置在凹部中，使得印制電路板構(gòu)成在其中布置有半導(dǎo)體芯片的殼體。
[0009]“上襯底金屬化部”在本發(fā)明意義上布置在絕緣載體的上側(cè)之上。在此可以是、但不必強(qiáng)制性地是襯底的最上面的襯底金屬化部。
[0010]這種半導(dǎo)體模塊因此包括具有印制電路板和被裝備有半導(dǎo)體芯片的陶瓷襯底的復(fù)合體。通過半導(dǎo)體芯片的該布置可以將在半導(dǎo)體模塊運(yùn)行期間在半導(dǎo)體芯片中積累的損耗熱量出色地經(jīng)由陶瓷襯底導(dǎo)出，因?yàn)樘沾删哂斜仍诃h(huán)氧樹脂基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)印制電路板明顯更高的導(dǎo)熱性。
[0011]此外，陶瓷襯底由于其安裝在一個(gè)或多個(gè)印制導(dǎo)線凸起處而相對(duì)于印制電路板可移動(dòng)地被安放，使得在將印制電路板安裝在冷卻體處時(shí)，陶瓷襯底在凹部的方向上被擠壓，其中一個(gè)或多個(gè)印制導(dǎo)線凸起被預(yù)加應(yīng)力并且引起陶瓷襯底向冷卻體方向的壓緊力。
[0012]本發(fā)明意義上的印制電路板可以可選地為強(qiáng)電流印制電路板，也即其中構(gòu)造在印制電路板的金屬化層之一中的至少一個(gè)印制導(dǎo)線具有至少105μπι的厚度的印制電路板。尤其是上金屬化層可以、但不必強(qiáng)制性地具有至少105 μ m的厚度。
[0013]在本發(fā)明中，具有陶瓷襯底和半導(dǎo)體芯片的復(fù)合體可以至少部分地布置在印制電路板的凹部中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面借助實(shí)施例參照附圖闡述本發(fā)明。其中:
圖1示出帶有按照本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊以及帶有另外的可選組件的裝置的分解圖。
[0015]圖2A示出按照?qǐng)D1的印制電路板的垂直斷面。
[0016]圖2B示出按照?qǐng)D2A的印制電路板的俯視圖。
[0017]圖3A示出裝備有半導(dǎo)體芯片的陶瓷襯底的垂直斷面。
[0018]圖3B示出按照?qǐng)D3A的經(jīng)裝備的陶瓷襯底的俯視圖。
[0019]圖4示出在將經(jīng)裝備的陶瓷襯底安裝在印制電路板的印制導(dǎo)線的印制導(dǎo)線凸起處之后按照?qǐng)D1的分解圖。
[0020]圖5A示出按照?qǐng)D4的以材料決定的方式(stoffschliissig)與印制電路板連接的、經(jīng)裝備的陶瓷載體的垂直斷面。
[0021 ] 圖5B示出按照?qǐng)D5A的裝置的俯視圖。
[0022]圖6A示出在施加多個(gè)接合線之后按照?qǐng)D5A的裝置，所述接合線中的每個(gè)接合線不僅被接合到上襯底金屬化部上、而且被接合到印制電路板的金屬化層上。
[0023]圖6B示出按照?qǐng)D6A的裝置的俯視圖。
[0024]圖7示出在其安裝在冷卻體處之后按照?qǐng)D6A的裝置。
[0025]圖8示出在將澆注材料至少填入到凹部中之后按照?qǐng)D7的裝置。
[0026]圖9A示出安裝在印制電路板處的、裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片的陶瓷襯底的另一實(shí)施例，其中在陶瓷襯底和印制電路板之間的間隙借助粘合焊瘤密封。
[0027]圖9B示出按照?qǐng)D9A的裝置的俯視圖。
[0028]圖1OA示出在將澆注材料至少填入凹部中之后按照?qǐng)D9A的裝置。
[0029]圖1OB示出按照?qǐng)D1OA的裝置的俯視圖。
[0030]圖11示出具有另外的可選組件的按照?qǐng)D1OA的裝置。
[0031]圖12示出在其安裝之后以及在將可選的控制電路板安裝在凹部之上之后在圖11中所示的組件。
[0032]圖13示出如下裝置，其與按照?qǐng)D12的裝置的不同之處在于，控制電路板借助電插塞連接被固定在印制電路板處并且由此電連接到印制電路板上。
[0033]圖14示出半導(dǎo)體模塊裝置的另一擴(kuò)展方案，其中印制電路板的凹部被導(dǎo)電的蓋覆蓋，所述蓋與印制電路板的印制導(dǎo)線導(dǎo)電連接。
[0034]圖15示出半導(dǎo)體模塊的擴(kuò)展方案，該半導(dǎo)體模塊具有冷卻體，所述冷卻體安裝在印制電路板處并且其中在印制電路板和冷卻體之間的間隙借助密封圈密封。
[0035]圖16示出半導(dǎo)體模塊的擴(kuò)展方案，其中絕緣載體部分地布置在印制電路板的凹部?jī)?nèi)。
[0036]圖17示出半導(dǎo)體模塊的擴(kuò)展方案，其中絕緣載體完全地布置在印制電路板的凹部?jī)?nèi)。
[0037]圖18示出在安裝在冷卻體處之后的半導(dǎo)體模塊，該半導(dǎo)體模塊按照?qǐng)D16或17之一來構(gòu)造。
[0038]借助不同的實(shí)施例闡述的特征可以以任意方式相互組合，只要沒有另外說明或者只要不同特性的組合在技術(shù)上不相互排斥。

【具體實(shí)施方式】
[0039]圖1示出半導(dǎo)體模塊裝置的分解圖。該裝置包括:陶瓷襯底2，其裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25 ;以及印制電路板4。所有其他的示出的組件彼此無關(guān)地分別是可選的。所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25例如可以是M0SFET、IGBT、阻擋層-場(chǎng)效應(yīng)晶體管、晶閘管、二極管或任意其他半導(dǎo)體器件。
[0040]陶瓷襯底2具有帶有上側(cè)20t和與上側(cè)相對(duì)的下側(cè)20b的介電的陶瓷絕緣載體20。絕緣載體20例如可以被構(gòu)造為扁平的陶瓷小板，其中上側(cè)20t和下側(cè)20b表示按照面積最大的側(cè)。
[0041]絕緣載體20例如可以是扁平的、平坦的陶瓷小板。合適的陶瓷材料的例子是氮化鋁(A1N)、氧化鋁(A1203)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)或氧化鈹(BeO)。
[0042]陶瓷襯底2此外包括上襯底金屬化部21以及可選的下襯底金屬化部22，其中所述上襯底金屬化部21被施加到上側(cè)20t上，所述下襯底金屬化部22被施加到下側(cè)20b上。上襯底金屬化部21可以未結(jié)構(gòu)化或者如所示地被結(jié)構(gòu)化為帶有原則上任意走向的印制導(dǎo)線。下襯底金屬化部也可以被結(jié)構(gòu)化或者如所示地未結(jié)構(gòu)化。此外，上襯底金屬化部21可以通過陶瓷絕緣載體2相對(duì)于下襯底金屬化部22電絕緣。
[0043]垂直方向V在此如已經(jīng)闡述地在垂直于陶瓷絕緣載體20的下側(cè)20b的方向上從下側(cè)20b伸展至上側(cè)20t。
[0044]上襯底金屬化部21和/或下襯底金屬化部22可以具有銅或者由銅制成，或者由帶有高的銅含量的銅合金制成。同樣，上襯底金屬化部21和/或下襯底金屬化部22可以具有鋁或者由鋁制成，或者由帶有高的鋁含量的鋁合金制成。陶瓷襯底2可以不限于此地例如是 DCB 襯底(DCB=Direct Copper Bonding,直接銅接合)或者 DAB 襯底(DAB=DirectAluminum Bonding,直接招接合)或者 AMB 襯底(AMB=Active Metal Brazing,活性金屬釬焊)。
[0045]一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25分別借助通過第一連接層31實(shí)現(xiàn)的材料決定的連接固定地與上襯底金屬化部21連接。相應(yīng)的連接在此可以是導(dǎo)電的，使得所涉及的半導(dǎo)體芯片25電連接到上襯底金屬化部21上。
[0046]印制電路板4具有任意數(shù)量的金屬化層41、42、43。這些金屬化層41、42、43中的每個(gè)可以與其他所述金屬化層的構(gòu)型無關(guān)地被構(gòu)造為連續(xù)的金屬化層，而或者具有兩個(gè)或更多個(gè)相互間隔的區(qū)段。在金屬化層41、42、43至少之一中可以構(gòu)造印制導(dǎo)線，其層厚至少為 105 μ m。
[0047]在任何情況下，印制電路板4如在本發(fā)明的全部擴(kuò)展方案中那樣具有凹部44，在所述凹部中完全或部分地布置所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25，使得印制電路板4也承擔(dān)所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的殼體的功能。如圖1中所示，凹部44可以被構(gòu)造為印制電路板4的通孔。這意味著，凹部44穿通地延伸在印制電路板4的兩個(gè)相對(duì)的側(cè)之間。
[0048]印制電路板4可以是帶有非陶瓷絕緣載體40的傳統(tǒng)印制電路板。例如，絕緣材料可以具有例如環(huán)氧樹脂和/或聚酰亞胺，或者其可以由環(huán)氧樹脂和/或聚酰亞胺組成。但是原則上絕緣載體40也可以具有陶瓷材料或者由陶瓷材料制成。與絕緣材料的類型無關(guān)地，絕緣載體40可選地也可以具有玻璃纖維，所述玻璃纖維嵌入到絕緣材料、也即例如環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺或陶瓷材料中。絕緣載體40此外具有下側(cè)40b以及與下側(cè)40b相對(duì)的上側(cè)40t，該上側(cè)在制成的半導(dǎo)體模塊中在垂直方向上與下側(cè)40b相間隔。
[0049]此外，印制電路板4的金屬化層41、42、43中至少之一具有帶有印制導(dǎo)線凸起411的印制導(dǎo)線，所述印制導(dǎo)線凸起向凹部44內(nèi)延伸。一個(gè)或多個(gè)這種印制導(dǎo)線凸起411被用于與裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2建立材料決定的和導(dǎo)電的連接，這借助第二連接層32來實(shí)現(xiàn)，和/或借助焊接連接來實(shí)現(xiàn)。第一金屬化層41在此在每個(gè)印制導(dǎo)線凸起411的整個(gè)區(qū)域中完全從絕緣材料上剝離。這換句話說意味著，在第一金屬化層41和絕緣載體40之間在印制導(dǎo)線凸起的任何一個(gè)處均不存在機(jī)械連接。
[0050]通過將所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25安裝在陶瓷襯底2上，可以將在所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25中積累的損耗熱量經(jīng)由陶瓷襯底2向冷卻體I方向?qū)С觥＠鋮s體I稍后在印制電路板4處的安裝可以借助連接裝置、例如一個(gè)或多個(gè)連接螺栓77實(shí)現(xiàn)。為此，連接螺栓77中的每個(gè)被引導(dǎo)穿過構(gòu)造在印制電路板4中的安裝孔47并且旋擰到構(gòu)造在冷卻體I中的螺孔17中。但是，代替螺旋連接，可以利用其他任意的連接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)在印制電路板4和冷卻體I之間的連接。
[0051]可選地，半導(dǎo)體模塊可以具有驅(qū)動(dòng)電路板53，其包含另外的印制電路板5，其被配備有裝備件55。驅(qū)動(dòng)電路板53可以用于以電的方式操控安裝在陶瓷襯底2上的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25。
[0052]印制電路板4此外可以被用于將電容器9、例如中間回路電容器與半導(dǎo)體芯片25導(dǎo)電連接。為此，中間回路電容器9可以具有電端子96，所述電端子可以被構(gòu)造為連接引腳并且分別被插入到印制電路板4的電連接孔46中。電端子96的固定例如可以借助螺母86來實(shí)現(xiàn)，所述螺母被旋擰到所涉及的連接引腳96上。
[0053]代替作為簡(jiǎn)單的連接引腳，電端子96也可以被構(gòu)造為帶有旋擰孔的螺旋端子，其相應(yīng)地借助引導(dǎo)穿過旋擰孔以及穿過連接孔46之一的螺栓并且然后借助螺母86與印制電路板4擰緊。
[0054]這樣的連接技術(shù)例如針對(duì)電負(fù)載6被示出，該負(fù)載具有帶有旋擰孔65的端子61。為了建立端子61與印制電路板4的導(dǎo)電連接使用連接裝置75，該連接裝置例如可以被構(gòu)造為螺栓，其被引導(dǎo)穿過旋擰孔65和穿過連接孔45。之后，螺母85被旋擰到連接螺栓75上，使得端子61固定地與印制電路板4連接。
[0055]圖2A再次示出按照?qǐng)D1的印制電路板4，圖2B示出印制電路板4的俯視圖。如由圖2A和2B得知的那樣，印制電路板4也可以具有多個(gè)、原則上任意數(shù)量的印制導(dǎo)線凸起411，它們分別伸入到凹部44中。這些印制導(dǎo)線凸起411中的每個(gè)都可以稍后與裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2材料決定地和導(dǎo)電地連接。通過這些連接可以將經(jīng)裝備的陶瓷襯底2以機(jī)械以及電的方式與印制電路板連接。在半導(dǎo)體模塊運(yùn)行時(shí)，不同的凸起411可以處于不同的而或者處于相同的電勢(shì)上，或者兩個(gè)或更多個(gè)不同的凸起可以處于第一電勢(shì)上，而至少一個(gè)另外的凸起可以處于與第一電勢(shì)不同的第二電勢(shì)上。
[0056]如此外由圖2B得知的，印制電路板4的金屬化層41、42、43可以具有印制導(dǎo)線432，所述印制導(dǎo)線環(huán)狀地閉合并且圍繞凹部44伸展?？蛇x地，印制導(dǎo)線432的環(huán)狀閉合的表面可以露出。
[0057]此外，印制電路板4可以具有一個(gè)或多個(gè)印制導(dǎo)線433，其可以被構(gòu)造在印制電路板4的同一或不同的金屬化層41、42、43中并且可以通過線接合被接合到在稍后的接合線上。
[0058]圖3A再次在橫截面中示出裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2。圖3B在俯視圖中示出按照?qǐng)D3A的裝置。每個(gè)半導(dǎo)體芯片25可以可選地為直立器件，也即是以下器件，即其中負(fù)載電流在半導(dǎo)體芯片25的半導(dǎo)體本體的彼此相對(duì)的側(cè)之間流過該半導(dǎo)體芯片25。為此，半導(dǎo)體芯片25可以具有第一負(fù)載端子251，其被構(gòu)造在所涉及的半導(dǎo)體芯片25的半導(dǎo)體本體的背離陶瓷襯底2的上側(cè)處；以及具有第二負(fù)載端子252，其被構(gòu)造在所涉及的半導(dǎo)體芯片25的半導(dǎo)體本體的朝向陶瓷襯底2的側(cè)處。在這種直立半導(dǎo)體芯片25情況下，第二負(fù)載端子252借助第一連接層31與上襯底金屬化部21材料決定地以及導(dǎo)電地固定連接。
[0059]只要半導(dǎo)體芯片25是可控的半導(dǎo)體器件，則可選地可以存在控制端子253、例如柵極端子或基極端子。這種控制端子253如所示地可以處于所涉及的半導(dǎo)體芯片25的背離陶瓷襯底2的側(cè)處，代替地也可以處于半導(dǎo)體芯片25的朝向陶瓷襯底2的側(cè)處。
[0060]在陶瓷襯底2上實(shí)現(xiàn)的電路原則上是任意的。該電路例如可以具有半橋，其中負(fù)載分段、例如漏極-源極分段由兩個(gè)或更多個(gè)可控的半導(dǎo)體芯片25電串聯(lián)。在此，將在第一負(fù)載端子251和第二負(fù)載端子252之間的電分段看為負(fù)載分段。負(fù)載分段分別可以經(jīng)由所屬的控制端子253、例如柵極端子或基極端子被控制，例如接通和/或關(guān)斷。
[0061]圖4再次示出按照?qǐng)D1的圖示，區(qū)別在于:印制電路板4在所述一個(gè)或多個(gè)印制導(dǎo)線凸起411處借助導(dǎo)電的第二連接層32材料決定地以及導(dǎo)電地與上襯底金屬化部21連接。導(dǎo)電的第二連接層32在此可以在完成導(dǎo)電連接之后直接接觸所涉及的印制導(dǎo)線凸起411以及上襯底金屬化部21。代替于第二連接層32，一個(gè)或多個(gè)印制導(dǎo)線凸起411也可以分別與上襯底金屬化部21焊接。就此而言要指出的是，雖然上襯底金屬化部21如所示地可以是最上面的金屬化部，但是不必強(qiáng)制性地是這種情況。表述“上襯底金屬化部”僅僅表明，它涉及處于陶瓷絕緣載體20的上側(cè)20t上的金屬化部。此外，在兩個(gè)或更多個(gè)印制導(dǎo)線凸起411的情況下以及在帶有兩個(gè)或更多個(gè)上襯底金屬化部的陶瓷襯底2的情況下存在如下可能性:將這些印制導(dǎo)線凸起411中的不同的印制導(dǎo)線凸起分別與上襯底金屬化部中的另外的上襯底金屬化部導(dǎo)電連接，而且利用所述連接技術(shù)中的任何一種(與連接層32的材料決定的連接或者通過焊接)。
[0062]一旦存在復(fù)合體，其中印制電路板4在所述一個(gè)或多個(gè)印制導(dǎo)線凸起411處借助導(dǎo)電的第二連接層32或通過焊接如所闡述地材料決定地并且導(dǎo)電地與陶瓷襯底2連接，則印制電路板4如所闡述地構(gòu)成半導(dǎo)體芯片25中的至少一個(gè)的殼體。
[0063]這意味著，所涉及的半導(dǎo)體芯片25與復(fù)合體是否安裝在冷卻體I處無關(guān)地至少部分地、可選也完全地布置在印制電路板4的凹部44內(nèi)。當(dāng)半導(dǎo)體芯片25僅僅部分地布置在凹部44中時(shí)，(虛擬的)平面E-E切割半導(dǎo)體芯片25，該平面垂直于垂直方向V伸展并且被置于絕緣載體40的下側(cè)40b處。另外，當(dāng)半導(dǎo)體芯片25完全地布置在凹部44中時(shí)，該半導(dǎo)體芯片在垂直方向V上處于該平面E-E之上以及(虛擬的)平面F-F之下，該平面F-F垂直于垂直方向V伸展并且被置于絕緣載體40的上側(cè)40t處。
[0064]圖5A再次示出已經(jīng)在圖4中示出的帶有印制電路板4和裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2的復(fù)合體。圖5B示出按照?qǐng)D5A的裝置的俯視圖。
[0065]在另一步驟中，該另一步驟因此在圖6A中以橫截面示出或者在圖6B中以俯視圖示出，按照?qǐng)D5A和5B的裝置可以被配備有一個(gè)或多個(gè)接合線92、93，其中的每個(gè)在第一接合部位處被接合到印制電路板4的印制導(dǎo)線433上，并且在第二接合部位處被接合到襯底金屬化部21上或者被接合到第一負(fù)載端子251上(參見圖5B)或被接合到控制端子253上(參見圖5B)。“接合”在此意味著“線接合”，其中接合線92、93分別直接被接合到所涉及的印制導(dǎo)線433上或者直接被接合到所涉及的襯底金屬化部21或第一負(fù)載端子251或控制端子253上。
[0066]可選地，還可以設(shè)置另外的接合線91，其僅僅用于在陶瓷襯底2上實(shí)現(xiàn)的電路的內(nèi)部布線。接合線91因此在印制電路板4上不具有接合部位。因此，接合線91可以在任意時(shí)刻被接合到裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2上。接合線91的接合因此可以在將印制電路板4在所述一個(gè)或多個(gè)印制導(dǎo)線凸起411處借助第二連接層32與裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2連接之前或之后實(shí)現(xiàn)。
[0067]圖7示出在借助連接裝置77將冷卻體I安裝在帶有印制電路板4、裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2和第二連接層32的復(fù)合體處之后按照?qǐng)D6A的裝置。
[0068]可選地，印制電路板4和冷卻體I可以借助粘合層38相互粘合。在此，粘合層38可以不間斷地從冷卻體I延伸直至印制電路板4。此外，粘合層38可以被構(gòu)造為環(huán)狀閉合的層，該層環(huán)狀地包圍凹處44 (參見圖1)。該粘合層38可以用于將冷卻體I安裝或預(yù)安裝在印制電路板4處和/或用于密封在印制電路板4和冷卻體I之間的間隙。
[0069]如圖7此外可以得出的，冷卻體I可以可選地具有凹處14，陶瓷襯底2在將冷卻體I安裝在印制電路板4處之后完全地或至少部分地布置在該凹處中。
[0070]如圖8中所示地，可以將澆注材料36填入到凹部44中，使得澆注材料36因此至少部分地布置在凹部44中并且從陶瓷絕緣載體20的上側(cè)20t延伸直至一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25上方，使得所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25分別被澆注材料36覆蓋并且可選地接合線91至93也被覆蓋。澆注材料36例如可以是凝膠，例如硅酮凝膠。澆注材料36用于提高半導(dǎo)體模塊的電絕緣強(qiáng)度。在圖8中，虛線地示出了通過澆注材料36掩蓋的接合線91、92、93 ο
[0071]如從按照?qǐng)D8的裝置同樣可以得出的，澆注材料36也可以延伸至冷卻體I并且與該冷卻體I接觸。
[0072]下面參照?qǐng)D9A至12來闡述用于半導(dǎo)體模塊或半導(dǎo)體模塊裝置的另一實(shí)施例。在按照?qǐng)D5A和5B構(gòu)成的并且可以以同樣的方式制造的半導(dǎo)體模塊情況下，如參照在前的圖已經(jīng)闡述地，帶有裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2、印制電路板4和第二連接層32的復(fù)合體在陶瓷襯底2和印制電路板4之間具有間隙24。在接著將澆注材料35填入到凹部44中(參見圖1)時(shí)，澆注材料36將會(huì)通過間隙24流出。為了對(duì)此進(jìn)行防止，可以借助粘合焊瘤35密封間隙24。制造粘合焊瘤35的粘合劑的粘性在此選擇得如此高，使得間隙24通過粘合劑來密封。圖9B示出按照?qǐng)D9A的裝置的俯視圖。
[0073]在制造了粘合焊瘤35之后，澆注材料36 (如已經(jīng)闡述的)可以被填入到凹部44中，這因此在圖1OA中以橫截面示出并且在圖1OB中以俯視圖示出。在澆注材料36被完全填入之后，該澆注材料至少從絕緣載體20的上側(cè)20t (參見圖1)延伸至一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25上方?？蛇x地，全部的接合線91、92、93 (參見圖9A和9B)也可以如也在本發(fā)明的全部其他擴(kuò)展方案中那樣地可選地完全由澆注材料36覆蓋。
[0074]圖11結(jié)合其他組件地再次示出按照?qǐng)D1OA的半導(dǎo)體模塊，這些組件可以分別可選地被安裝在半導(dǎo)體模塊處。所有這些組件已經(jīng)參照?qǐng)D1至8被闡述過。它們可以以同樣的方式被固定在半導(dǎo)體模塊上。圖12示出在將其他組件安裝在半導(dǎo)體模塊處之后的半導(dǎo)體模塊裝置。與按照?qǐng)D8的半導(dǎo)體模塊情況下不同地，澆注材料36這里不延伸直至冷卻體I。但是，澆注材料36接觸粘合焊瘤35。
[0075]圖13示出另一實(shí)施例。該實(shí)施例與按照?qǐng)D12的實(shí)施例的不同之處在于，可選的驅(qū)動(dòng)電路板53以電的方式借助插塞連接器78與印制電路板4電連接，所述插塞連接器分別插入到印制電路板4的孔中以及插入到驅(qū)動(dòng)電路板53的孔中。此外，驅(qū)動(dòng)電路板53可以借助第四連接層34與印制電路板4以材料決定的方式連接。在此情況下，第四連接層34不間斷地從印制電路板4延伸直至驅(qū)動(dòng)電路板53。第四連接層例如可以被構(gòu)造為導(dǎo)電的或電絕緣的粘合劑。
[0076]接著參照?qǐng)D14還闡述本發(fā)明的另一可能的擴(kuò)展方案。在此情況下，當(dāng)在裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2和印制電路板4之間建立了材料決定的連接之后，凹部44 (參見圖1)用導(dǎo)電的層59覆蓋。該導(dǎo)電的層例如可以是金屬層。導(dǎo)電的層59可以被構(gòu)造為閉合的層。所述層可以材料決定地借助連接層(其例如可以通過焊合(L0ten)或通過燒結(jié)來制造)與印制電路板4的金屬化層41、42、43之一(這里:43)、特別是與環(huán)狀的印制導(dǎo)線432連接。導(dǎo)電的層59可以可選地與地連接，以便在運(yùn)行半導(dǎo)體模塊時(shí)減少干擾輻射的發(fā)射，所述干擾輻射尤其是可能通過半導(dǎo)體芯片25的開關(guān)過程和與其聯(lián)系的線路電感引起。該裝置在此可以被構(gòu)成為使得陶瓷襯底2完全地布置在導(dǎo)電的層59和冷卻體I之間，和/或?qū)щ姷膶?9完全覆蓋印制電路板4的背離陶瓷襯底2的上側(cè)4t處的凹部45。
[0077]這種導(dǎo)電的層59也可以在本發(fā)明的全部其他擴(kuò)展方案中存在，而且與是否存在可選的驅(qū)動(dòng)電路板53無關(guān)地存在。只要設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電路板53，導(dǎo)電的層59就可以布置在該驅(qū)動(dòng)電路板和陶瓷襯底2之間。代替于與陶瓷襯底2分離的導(dǎo)電的層59，也可以通過下襯底金屬化部22來給定導(dǎo)電的層59。
[0078]導(dǎo)電的層59在印制電路板4處的安裝可以在將澆注材料36填入到凹部44中之前進(jìn)行，但是也可以在之后進(jìn)行。在首先提及的情況下，導(dǎo)電的層可以具有用于將澆注材料36填入到凹部44中的填入孔。在填入之后，該填入孔可以被封閉。
[0079]圖15示出半導(dǎo)體模塊的另一擴(kuò)展方案。這里，密封圈37被用于密封在印制電路板4和冷卻體I之間的間隙。密封圈37在此情況下不僅靠近印制電路板4而且靠近冷卻體。密封圈37在稍后將澆注材料36填入到凹部44中時(shí)防止?jié)沧⒉牧?6通過在印制電路板4和冷卻體I之間存在的間隙14流出。在將澆注材料36填入之后，該澆注材料不僅延伸直至冷卻體I而且延伸直至密封圈37。
[0080]此外，在本發(fā)明的全部擴(kuò)展方案中，澆注材料36可以在填入到凹部44中之后延伸直至印制電路板4、尤其是也直至其絕緣材料40。
[0081]在圖1至14的擴(kuò)展方案中，陶瓷襯底2分別至少部分地布置在冷卻體I的凹處13中。但是，即使帶有印制電路板4和裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2的復(fù)合體安裝在冷卻體I的平坦的安裝面處時(shí)，這些擴(kuò)展方案也可以被實(shí)現(xiàn)。裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底在此可以在安裝期間完全被壓入到凹部44中。
[0082]在本發(fā)明的全部擴(kuò)展方案中，可以用小的力相對(duì)于印制電路板4抗回彈力地將陶瓷襯底2從其靜止位置中推移出。該回彈力在此可以由作為彈簧起作用的印制導(dǎo)線凸起411引起，和/或通過粘合焊瘤35引起，其中通過所述粘合焊瘤35將在陶瓷襯底2和印制電路板4之間的間隙35密封。在本發(fā)明的全部擴(kuò)展方案中，可以將半導(dǎo)體模塊構(gòu)成為，使得當(dāng)陶瓷襯底2相對(duì)于印制電路板4在垂直方向V上偏轉(zhuǎn)Imm時(shí)，大于1N (牛頓)和/或小于60N的回彈力作用于陶瓷襯底2上。垂直方向V在此在垂直于陶瓷的絕緣載體20的下側(cè)20b的方向上從下側(cè)20b伸展至上側(cè)20t。通過保持1N的下限，在將半導(dǎo)體模塊安裝在冷卻體處時(shí)陶瓷襯底2足夠強(qiáng)地被擠壓到冷卻體上。通過保持60N的上限確保:陶瓷襯底2相對(duì)于印制電路板4具有足夠的可移動(dòng)性，使得在半導(dǎo)體模塊中在其安裝在冷卻體處時(shí)不出現(xiàn)過大的機(jī)械應(yīng)力。
[0083]為了印制電路板4不以過大的對(duì)抗力抵抗經(jīng)裝備的陶瓷襯底2在垂直方向V上的移動(dòng)，可以如在圖1中示例性示出地那樣確定陶瓷絕緣載體20的尺寸為，使得該陶瓷絕緣載體在每個(gè)與垂直方向V垂直的水平方向r上分別具有寬度w20,其小于凹部44在同一水平方向r上具有的寬度《44。
[0084]圖16還示出半導(dǎo)體模塊的擴(kuò)展方案，其中當(dāng)半導(dǎo)體模塊還沒有安裝在冷卻體處時(shí)，陶瓷的絕緣載體20部分地布置在印制電路板4的凹部44中。相應(yīng)地，圖17示出半導(dǎo)體模塊的一種擴(kuò)展方案，其中當(dāng)半導(dǎo)體模塊還沒有安裝在冷卻體處時(shí)，陶瓷的絕緣載體20完全地布置在印制電路板4的凹部44中。圖18最后示出在功率半導(dǎo)體模塊安裝在冷卻體I處之后按照?qǐng)D16或17構(gòu)成的功率半導(dǎo)體模塊。這里可以看出，在將裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2安裝在冷卻體I處之后，陶瓷襯底2可以完全處于印制電路板4的凹部44內(nèi)。這意味著，不僅所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25而且陶瓷襯底2在垂直方向V上都處于平面E-E之上以及平面F-F之下。
[0085]此外，圖16至18與此無關(guān)地示出，裝備有一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的陶瓷襯底2可以被安裝在印制電路板4的任意的金屬化層42的印制導(dǎo)線凸起421處。在每種情況下，在其處安裝經(jīng)裝備的陶瓷襯底2的所述一個(gè)或多個(gè)印制導(dǎo)線凸起421伸入到印制電路板4的凹部44中。
[0086]同樣，在本發(fā)明的所有擴(kuò)展方案中，安裝在陶瓷襯底2上的半導(dǎo)體芯片25中的至少一個(gè)、每個(gè)或者全部可以垂直于垂直方向V與印制電路板4的絕緣材料40具有至少3_的距離d25，這示例性地在圖4中示出。該準(zhǔn)則可以與半導(dǎo)體模塊是否安裝在冷卻體I處無關(guān)地適用。
[0087]本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊的優(yōu)點(diǎn)在于，印制電路板4尤其是用作用于一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25的殼體。由此可以在本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊情況下放棄除了印制電路板4之外還設(shè)置塑料殼體，該塑料殼體至少環(huán)狀地包圍所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體芯片25。
【權(quán)利要求】
1.半導(dǎo)體模塊，包括: 印制電路板(4)，該印制電路板具有絕緣材料(40)、構(gòu)造在絕緣材料(40)中的凹部(44)、以及第一金屬化層(41，42)，所述第一金屬化層部分地嵌入該絕緣材料(40)中并且具有印制導(dǎo)線凸起(411,421)，所述印制導(dǎo)線凸起伸入凹部(44)中； 陶瓷襯底(2),該陶瓷襯底具有介電的、陶瓷的絕緣載體(20)以及施加在絕緣載體(20)的上側(cè)(20t)上的上襯底金屬化部(21);以及 半導(dǎo)體芯片(25)，其布置在上襯底金屬化部(21)上； 其中所述第一金屬化層(41，42)在印制導(dǎo)線凸起(411，421)處與上襯底金屬化部(21)機(jī)械地并且導(dǎo)電地連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體模塊，其中在所述印制導(dǎo)線凸起(411，421)和所述上襯底金屬化部(21)之間的導(dǎo)電連接被構(gòu)造為材料決定的連接并且借助導(dǎo)電的連接層(32)實(shí)現(xiàn)，所述導(dǎo)電的連接層直接接觸所述印制導(dǎo)線凸起(411，421)以及所述上襯底金屬化部(21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述連接層(32)被構(gòu)造為焊料層，或者被構(gòu)造為具有經(jīng)燒結(jié)的金屬粉末的層，或者被構(gòu)造為粘合層。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體模塊，其中 所述凹部(44)被構(gòu)造為所述印制電路板(4)的通孔；以及 所述印制電路板(4)構(gòu)成環(huán)狀的殼體，該殼體包圍半導(dǎo)體芯片(25)。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體模塊，其中 所述上側(cè)(20t)在垂直于下側(cè)(20b)的垂直方向(V)上與上側(cè)(20t)相間隔；以及所述陶瓷的絕緣載體(20)被確定尺寸為，使得該陶瓷的絕緣載體在每個(gè)與垂直方向(V)垂直的水平方向(r)上分別具有寬度(《20)，其小于所述凹部(44)在同一水平方向(r)上所具有的寬度(w44)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體模塊，其中 陶瓷襯底(2)具有與上側(cè)(20t)相對(duì)的下側(cè)(20b)； 該陶瓷襯底(2)關(guān)于所述印制電路板(4)具有靜止位置；以及當(dāng)所述陶瓷襯底(2)相對(duì)于印制電路板(4)在垂直方向(V)上被偏轉(zhuǎn)Imm時(shí)，大于1N和/或小于60N的回彈力作用于該陶瓷襯底(2)，其中所述垂直方向垂直于下側(cè)(20b)地從下側(cè)(20b)伸展至上側(cè)(20t)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體模塊,具有澆注材料(36)，該澆注材料至少部分地布置在凹部(44)中并且從上側(cè)(20t)延伸直至半導(dǎo)體芯片(25)上方，使得半導(dǎo)體芯片(25)由澆注材料(36)覆蓋。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體模塊，具有接合線(91、92、93)，其通過線接合直接接合到該陶瓷襯底(2)的金屬化層(21)和/或直接接合到半導(dǎo)體芯片(25)的負(fù)載端子(251)上，其中澆注材料(36)從上側(cè)(20t)延伸直至接合線(91、92、93)上方，使得接合線(91、92、93)由澆注材料(36)覆蓋。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述澆注材料(36)是硅酮凝膠。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9之一所述的半導(dǎo)體模塊，其中在陶瓷襯底(2)和印制電路板(4 )之間的間隙(24 )通過環(huán)狀閉合的粘合焊瘤(35 )完全密封。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體模塊,其中所述澆注材料(36)接觸所述粘合焊瘤(35)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的半導(dǎo)體模塊，具有冷卻體(I)、密封圈(37)，所述密封圈不僅靠近冷卻體(I)而且靠近印制電路板(4)，其中所述澆注材料(36)接觸密封圈(35)。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至12之一所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述印制導(dǎo)線凸起(411，421)嵌入所述澆注材料(36)中。
14.根據(jù)權(quán)利要求7至13之一所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述澆注材料(36)延伸直至印制電路板(2 )并且碰觸絕緣材料(40 )。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體模塊，其中所述半導(dǎo)體芯片(25)至少部分或者完全地布置在所述凹部(44)中。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的半導(dǎo)體模塊，具有接合線(92，93，94)，所述接合線 在第一接合部位處通過線接合被直接接合到陶瓷襯底(2)的金屬化層(21)上或者被直接接合到所述半導(dǎo)體芯片(25)的負(fù)載端子(251)上，并且 在第二接合部位處通過線接合被直接接合到所述印制電路板(4)的金屬化層(42)上。
17.用于制造半導(dǎo)體模塊的方法，具有步驟: 提供印制電路板(4 ),該印制電路板具有絕緣材料(40 )、構(gòu)造在絕緣材料(40 )中的凹部(44)、以及第一金屬化層(41，42)，所述第一金屬化層部分地嵌入該絕緣材料(40)中并且具有印制導(dǎo)線凸起(411,421)，所述印制導(dǎo)線凸起伸入凹部(44)中； 提供陶瓷襯底(2)，該陶瓷襯底具有介電的、陶瓷的絕緣載體(20)以及施加在絕緣載體(20 )的上側(cè)(20t)上的上襯底金屬化部(21)，并且該陶瓷襯底(2 )被裝備有布置在所述上襯底金屬化部(21)上的半導(dǎo)體芯片(25)； 在所述第一金屬化層(41，42)和上襯底金屬化部(21)之間建立導(dǎo)電連接，其方式是，將第一金屬化層(41，42)在所述印制導(dǎo)線凸起(411，421)處與所述上襯底金屬化部(21)機(jī)械地并且導(dǎo)電地連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中借助導(dǎo)電的連接層(32)來實(shí)現(xiàn)在所述第一金屬化層(41，42)和上襯底金屬化部(21)之間的導(dǎo)電連接的建立，所述連接層在完成所述導(dǎo)電連接之后直接接觸印制導(dǎo)線凸起(411，421)以及上襯底金屬化部(21)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中通過焊接來實(shí)現(xiàn)在所述第一金屬化層(41，42)和上襯底金屬化部(21)之間的導(dǎo)電連接的建立，使得所述印制導(dǎo)線凸起(411，421)在完成所述導(dǎo)電連接之后直接接觸上襯底金屬化部(21)。
20.根據(jù)權(quán)利要求17至19之一所述的方法，其中在陶瓷襯底(2)和印制電路板(4)之間的間隙(24)借助環(huán)狀閉合的粘合焊瘤(35)來完全密封，并且之后將澆注材料(36)填入到凹部(44)中，使得所述澆注材料 從上襯底金屬化部(21)延伸直至半導(dǎo)體芯片(25)上方，使得半導(dǎo)體芯片(25)由澆注材料(36)覆蓋； 接觸所述粘合焊瘤(35);并且 所述印制導(dǎo)線凸起(411，421)嵌入到所述澆注材料中。
21.根據(jù)權(quán)利要求17至19之一所述的方法，具有另外的步驟: 提供冷卻體(I); 將密封圈(37)布置在冷卻體(I)和印制電路板(4)之間，使得所述密封圈(37)不僅靠近冷卻體(I)而且靠近印制電路板(4)， 將澆注材料(36)填入所述凹部(44)，使得 -所述澆注材料(36 )從冷卻體(I)延伸直至半導(dǎo)體芯片(25 )上方并且半導(dǎo)體芯片(25 )由澆注材料(36)覆蓋； -所述澆注材料(36)接觸密封圈(35);并且 -所述印制導(dǎo)線凸起(411，421)嵌入到澆注材料(36)中。
22.根據(jù)權(quán)利要求17至21之一所述的方法，其中制成的半導(dǎo)體模塊被構(gòu)造有按照權(quán)利要求I至16之一所述的特征。
【文檔編號(hào)】H01L23/16GK104517909SQ201410516578
【公開日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】O.霍爾費(fèi)爾德 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司