專利名稱：在功率半導體模塊中的襯底的柔性連接的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有至少兩個襯底以及用于電和機械連接所述襯底的多層系統(tǒng)的功率半導體模塊。
背景技術：
在常用的功率半導體模塊中，大多在平坦的冷卻體或底板上的層面中布置多個載體襯底。這些冷卻體或底板理想地是完全平的，或者最大具有帶有幾米半徑的極小的彎曲。這些襯底大多數(shù)借助金屬連接被安置在冷卻體或底板上并且借助鍵合線或焊接的銅(Cu)夾片(Clip)相互連接。處于襯底上的功率半導體例如IGBT、二極管、FET、晶閘管……例如借助由鋁制成的鍵合線、所謂的鋁(Al)粗線鍵合或Cu夾片被接觸。 這些襯底不僅能相互電連接，而且能視應用而定地也被連接到其它組件例如驅(qū)動器上。為此，可能需要大量的單連接。這例如是焊接連接或利用短鍵合線的連接，它們相對于機械負荷和接觸是非常敏感的。將不同的襯底相互連接的另外的可能性是使用柔性電路板。但是在此情況下需要或者焊接過程或者夾持技術，在所述焊接過程中必要時可以將襯底和PCB上的已經(jīng)制造的連接再次熔化。這種夾持技術不僅需要很多位置，而且在使用陶瓷襯底的情況下還帶來斷裂危險的缺點。在US 2009/0231822A1中記載了借助多層布置、所謂的多層層連接襯底上的功率半導體和驅(qū)動電路。這種多層層的應用使得上面描述的焊接和夾持技術成為多余的。類似的行動被記載在US 5 637 922和W003/030247中。在已知的方法中，不同的層僅僅被用于接觸在唯一襯底上的功率構件和控制電路。DE 196 17 055 Cl公開了一種特定的實施方式，其中傳導覆層(Lage)由絕緣的預制體(Preform)組成。在DE 10 2004 019 431 Al中記載了一種裝置，其由電路板和電路載體板組成，其中電路載體板被布置在電路板的內(nèi)覆層的凹槽中，并且由電路板的外覆層牢固地固定并保持在凹槽中。借助多層層在功率半導體之間以及在電路載體板和電路板之間建立接觸。在所有這些情況下，僅襯底和電路板的平坦的布置是可能的。然而在許多應用中，僅僅小的和/或不平坦的安裝空間可用。平坦布置僅僅在很少情況下可以面積優(yōu)化地利用這樣的安裝空間。DE 100 26 743 Cl記載了用于容納電路裝置的襯底的裝置，其能夠在空間中實現(xiàn)三維布置，以便提供用于導熱的附加接觸面。在載體襯底上施加接觸襯底層。在該載體襯底中然后可以引入空隙、折斷或中斷，以便將載體襯底的由此形成的此外通過接觸襯底連接的部分段能夠相對彎曲。然后，器件被如此施加在接觸襯底上，使得它們能夠在兩側(cè)上分別由載體襯底接觸，以便保證最佳的散熱。為此目的，僅僅特定的角度、尤其是90°是有利的。目前，用于容納電子器件的電路裝置的襯底主要由陶瓷的載體襯底構成。但是陶瓷具有低的斷裂韌性。在為了制造空隙、折斷或中斷而加工該襯底時以及在接著彎曲時，該襯底由此可能容易地被無意地損壞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務是，提供具有至少兩個襯底的功率半導體模塊，其中能夠在空間中實現(xiàn)襯底以任意角度的靈活的三維布置。該任務通過按照權利要求I的功率半導體模塊解決。本發(fā)明的示例性的實施方式和改進方案是從屬權利要求的主題。本發(fā)明的實施例涉及具有至少兩個襯底的功率半導體模塊，所述襯底相互隔有距離地被布置，分別具有至少一個器件或分別具有至少一個接觸面，并且借助至少一個層相互電和機械地連接，其中所述至少一個層這樣被施加在待連接的襯底上，使得其至少部分地覆蓋所述襯底，其中所述至少一個器件和/或至少一個接觸面僅僅分別與襯底之一具有直接連接，并且其中所述至少一個器件和/或至少一個接觸面布置在相應的襯底和所述至少一個層之間?！?br>

本發(fā)明下面借助圖被進一步闡述，在圖中示出實施例。這些圖用于闡述基本原理，從而僅僅為理解基本原理所需要的特征被示出。圖I示出了兩個襯底以及用于連接襯底的層的三維視圖。圖2示出了具有兩個襯底的裝置的截面圖，所述襯底基本被布置在一個層面中，并且通過層相互連接。圖3示出了具有兩個平行地相疊布置的襯底的裝置的截面圖，所述襯底通過層相互連接。圖4示出了具有三個襯底的裝置的截面圖，所述襯底并排地布置在一個層面中并且借助多層層相互連接。圖5示出了具有三個襯底的裝置的截面圖，所述襯底借助多層層相互連接并且不布置在一個層面中。
具體實施例方式在圖中，只要沒有另外說明，相同的附圖標記以相同或類似的含義表示相同或相應的特征。圖I以透視圖示出了兩個相互隔有距離地布置的襯底I1, 12。襯底I可以是在有機或無機基底上的任意的電路載體。這樣的襯底例如是PCB (印刷電路板(Printed CircuitBoard))襯底、DCB (直接銅鍵合(Direct Copper Bonding))襯底、IM (絕緣金屬(InsulatedMetal))襯底、HTCC (高溫共燒陶瓷(High Temperature Cofired Ceramics))襯底、LTCC(低溫共燒陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramics))襯底和AMB(活性金屬釬焊(ActiveMetal Brazing))襯底。在陶瓷襯底的情況下,例如在其正面和背面施加金屬層。在圖I中所示的襯底I1是這樣的陶瓷襯底并且在兩個相對的側(cè)上分別具有金屬層11，12，它們后面被稱為第一和第二金屬層。在第二金屬層12上在所示的例子中施加半導體器件21。該半導體器件21例如是功率半導體器件，例如IGBT、二極管、FET或晶閘管。盡管在圖I中僅僅示出了一個半導體器件21，然而應指出，在金屬層12上也可以布置多個器件。半導體器件可以或者直接被接觸或者通過印制導線與接觸面連接。在圖I中所示的例子中，第二襯底I2具有接觸面20。但是該襯底I2可以代替地或附加地也具有至少一個器件(未示出)。為了接觸或者相互連接部件(例如按照圖I的部件21)和/或接觸面(例如按照圖I的接觸面20)，存在具有傳導和非傳導層的層裝置，其被施加到襯底上。這些層例如可以分別由聚酰亞胺基或環(huán)氧化物基的膜(非傳導層)組成或由金屬、例如銅、碳(Karbon)、鈀、鋁或銀(傳導層)，其例如在真空下被層壓到表面上。這樣的膜是足夠穩(wěn)定的，以便分別被層壓到兩個相互隔有距離地布置的襯底上并且將所述襯底越過在襯底之間的間隙連接。在圖I中與襯底I1,12隔有距離地示出了單個這樣的膜32，以便使得在襯底上的處于其下的組件可見。在層壓狀態(tài)中，該膜32將在一個襯底I上的功率器件21與在另一襯底I上的接觸面20電連接。同時，膜將兩個襯底I1,12彼此機械連接。通過這種方式和方法也能夠?qū)⒍嘤趦蓚€的襯底I1,12相互連接。 具有多個器件的電路可以是如此復雜的，使得單個傳導層是不夠的，而必須相疊地施加多個層。在此情況下，不僅使用絕緣的而且使用傳導的層，以便相互連接所希望的組件。首先，例如施加絕緣層。在施加絕緣層之后，可以通過打開在膜中的相應的窗口來使得在表面上的每個待接觸的接觸面露出。這樣被露出的接觸面可以接著例如與由金屬制成的層平面地接觸。通過這種方式和方法，可以相繼地施加多個傳導的和非傳導的層，并且可以實現(xiàn)復雜的連接結構。圖2示出了具有兩個襯底I1, I2的裝置的截面圖。襯底之一 I1在相互相對的側(cè)上用第一和第二金屬層11、12涂層。在該例子中，兩個半導體器件2^、212處于第二金屬層12上。在該例子中，功率半導體器件22、驅(qū)動器23和襯底I的一側(cè)上的信號分析電路24以及襯底I的另一側(cè)上的控制端子42處于另一襯底I2上?？刂贫俗?2能夠使得功率半導體模塊從外部被電接觸。利用控制端子42可以注入電流，借助其可接通半導體器件21^2“。以相同的方式，也可以產(chǎn)生負載端子，通過其引導原本要接通的電流。在該例子中，兩個襯底I1, I2通過多層裝置相互連接，其在該例子中具有兩個層導電層32 (例如金屬化層32)以及絕緣層33。金屬化層32和絕緣層33覆蓋一個襯底I1的大部分，并且從而也將兩個部件21相互連接。部件21可以直接、例如通過焊接連接和/或通過金屬化層32與第二金屬層連接。在該例子中附加地將高電流接觸41引入層33中，所述高電流接觸此外接觸功率半導體21和金屬層12。通過該高電流接觸41，例如能夠從外部電接觸功率半導體模塊。高電流接觸41因此可以承擔負載端子的功能。為了金屬化層32不具有至第二金屬層12的無意的接觸，局部地引入附加的絕緣層31。按照上述原理形成的、由多個層組成的在襯底I之間的連接是如此柔性的，使得襯底能夠彼此相對地彎曲或彎折。在襯底之間的連接甚至是這樣柔性的，使得該裝置在空間中的多次彎曲或彎折也是可能的。由此例如能夠?qū)Ⅱ?qū)動器電路板無附加接觸地置于功率半導體襯底的上側(cè)并且例如通過硅酮粘合與其固定。圖3示出了這樣的裝置的截面圖。這兩個襯底I這里沒有布置在一個層面中，相反，它們相互平行地位于兩個不同的層面中并且相疊地布置。在此，襯底I被定向為使得裝備有部件(21、22、23、24)的側(cè)分別指向彼此。此外，通過層32、33的連接保持不變。一個襯底I的高電流接觸41現(xiàn)在也具有與第二襯底I的連接。但是此外，從外部接觸高電流接觸41也是可能的。在所示的裝置中，兩個襯底I具有可以用澆注材料5填充的間隙。例如可以使用硅酮作為澆注材料5。由此得到功率半導體模塊的明顯更緊湊的結構形式。在該構造中此外還適合的是給作為驅(qū)動器電路板起作用的襯底I2在當折疊之后背離第二襯底I1的側(cè)處在與襯底I1連接之前配備電接觸42。于是所述電接觸形成模塊的向外的信號接觸部。通過相同的方式也可以制造功率端子。在圖4中示出了具有三個襯底I的裝置的截面圖。所有三個襯底I在一側(cè)上用第一金屬層11涂層并且在另一側(cè)上用第二金屬層12涂層。襯底I處于一個層面中。在所有襯底I中，在金屬層12上分別施加器件21。此外,將金屬化層32施加到襯底I和器件21上。在不希望金屬化層32至金屬層12和器件21的接觸的位置處，將空隙引入金屬化層32中。金屬化層32無中斷地在襯底I之間繼續(xù)引導，以便這樣在襯底I和器件21之間建立機械和電的連接。通過這種方式，可以將在兩個或更多不同襯底I上的器件21相互電連接。在襯底I上的器件21同樣可以通過金屬化層32、但是也可以通過印制導線和其它電連接相·互連接。但是在襯底I上的部件21的電連接視功率半導體模塊的功能而定地也可能是根本不希望的，并且因此不是強制地需要的。絕緣層33作為最上層被施加到襯底I、器件21和金屬化層32上。該層也無中斷地在襯底之間繼續(xù)引導，以便在襯底I之間建立另外的機械連接。此外，該層對于可能需要的與部件21和/或?qū)?2的絕緣來說是必要的。在該例子中，所有襯底I又具有高電流接觸41，其接觸金屬化層12、器件21或金屬化層32并且用于從外部電連接。在不希望金屬化層32和金屬層12之間的接觸的位置處，又引入絕緣31的另外的層。圖5示出了圖4的同一裝置的截面圖。但是，這里襯底I不再布置在一個層面中，而是彼此相對彎折大于0°的角度。通過襯底I從該層面彎折出來，功率半導體模塊可以被匹配于不同結構空間的情況。例如，這種裝置可以被安裝在發(fā)動機的外壁處，該外壁通常具有圓化的形狀。通過借助柔性的所謂的多層層或PLIT層連接襯底，功率半導體模塊可以明顯更好地匹配于給定的結構空間。此外，可以通過平面地連接控制端子和負載端子來實現(xiàn)功率半導體的極低電感性布線。通過應用半導體器件、例如IGBT或二極管以及借助多層層或PLIT層向外接觸，同樣節(jié)省了在襯底本身上的結構空間，該結構空間在傳統(tǒng)的制造過程中必須為接觸技術、例如引線鍵合(Wire Bonden )而被保留。由此,作為另外的優(yōu)點還得到在襯底布局時尤其是在導熱和換向路徑方面的更靈活的構造自由度。
權利要求
1.功率半導體模塊，具有至少兩個襯底(I)，所述襯底 一相互隔有距尚地被布置， 一分別具有至少一個器件(21，22，23，24)或分別具有至少一個接觸面(20)，并且 一借助至少一個層(32)相互電和機械連接， 其中 一所述至少一個層(32)這樣被施加在待連接的襯底(I)上，使得所述至少一個層至少部分地覆蓋所述襯底， -所述至少一個器件(21，22，23，24)和/或至少一個接觸面(20)僅僅分別與襯底(I)之一具有直接連接，并且 -所述至少一個器件(21，22，23，24)和/或至少一個接觸面(20)布置在相應的襯底(I)和所述至少一個層(32 )之間。
2.根據(jù)權利要求I所述的功率半導體模塊，其中所述至少一個器件(21，22，23，24)借助金屬層(12)被固定在襯底(I)上。
3.根據(jù)權利要求I或2之一所述的功率半導體模塊，其中所述至少一個層(32)是PLIT金屬化。
4.根據(jù)權利要求I一 3之一所述的功率半導體模塊，其中襯底(I)被布置在一個中央布置的襯底(I)的多個或所有側(cè)。
5.根據(jù)權利要求I一 4之一所述的功率半導體模塊，其中所述至少一個層(32)在所述至少兩個襯底(I)中的分別兩個之間從基本平坦的橫向?qū)用姹粡澢龌驈澱鄞笥?°至90°的角度。
6.根據(jù)權利要求I一 4之一的功率半導體模塊，其中所述至少一個層(32)在所述至少兩個襯底(I)中的分別兩個之間在縱向上被彎曲或彎折大于90°至180°的角度。
7.根據(jù)權利要求6所述的功率半導體模塊，其中通過彎曲或彎折在至少兩個襯底(I)之間形成的間隙用澆注材料(5 )充填。
8.根據(jù)上述權利要求之一所述的功率半導體模塊，其中所述至少兩個襯底(I)中的至少一個由陶瓷材料組成。
9.根據(jù)權利要求I一 7之一所述的功率半導體模塊，其中所述至少兩個襯底(2)中的至少一個是由纖維增強的塑料制成的電路板。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種具有至少兩個襯底(1)的功率半導體模塊，所述襯底相互隔有距離地被布置，分別具有至少一個器件(21，22，23，24)或分別具有至少一個接觸面(20)，并且借助至少一個層(32)相互電和機械連接。所述至少一個層(32)在此這樣被施加在待連接的襯底(1)上，使得所述至少一個層至少部分地覆蓋所述襯底，所述至少一個器件(21，22，23，24)和/或至少一個接觸面(20)僅僅分別與襯底(1)之一具有直接連接，并且所述至少一個器件(21，22，23，24)和/或至少一個接觸面(20)布置在相應的襯底(1)和所述至少一個層(32)之間。
文檔編號H05K1/18GK102903681SQ201210262619
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權日2011年7月29日
發(fā)明者O.霍爾費爾德, O.基爾施 申請人:英飛凌科技股份有限公司