半导体模块的制作方法

半导体模块
1.半导体功率模块在工业中应用广泛。例如，这种功率模块可以用于大电流的受控开关，并且可以用于功率转换器(比如逆变器)以将dc转换为ac或反之亦然，或者用于在不同电压或频率的ac之间转换。这种逆变器在电机控制器、或发电或储电之间的接口、或配电网中使用。
2.半导体功率模块旨在满足两个主要特性：高功率转换效率和高功率密度。还考虑了使用寿命、成本和质量等因素。为了实现高功率密度，可以使用高性能宽带隙半导体、比如碳化硅(sic)半导体开关，因为它们通常优于标准硅基半导体开关、即绝缘栅双极晶体管(igbt)。sic设备从热和电气的角度对功率模块的设计提出了很高的要求。宽带隙半导体(例如，sic半导体开关)具有开关速度非常快的特性，这意味着从导通模式到阻断模式的转变只需几纳秒。
3.电子电路中的快速开关与杂散电感相结合，在使用这种半导体功率模块时会导致电压过冲。这些电压过冲会增加开关损耗，并且可能通过振铃引起emi辐射。由于开关期间的电流梯度很高，整个组件的杂散/寄生电感需要尽可能小。
4.sic mosfet在其中应用需要在小建筑体积中实现最高效率的这种应用中用作半导体开关。sic mosfet同时示出快速开关速度和低导通电阻。由于sic晶片的制造成本高昂，并且使用当前的制造工艺难以制造出晶体故障量低得可接受的部件，因此管芯通常非常小(例如，5
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25mm2)。这使产量损失保持在低水平，但限制了sic半导体开关可以通过的总电流。为了实现高输出功率，需要并行操作这些小型半导体开关(例如mosfet)中的若干个。在比如汽车功率转换等应用中，并行使用多个半导体开关会占用半导体功率模块内的空间，从而产生可能较大的模块。然而，车辆内的空间非常宝贵，并且通常不会选择增加模块的尺寸。因此，如果布局的创新设计能够适应多个并行的半导体开关、平衡(对称)的操作、低杂散电感和小总体布局尺寸，则这是很大的优势。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是提供一种功率模块，该功率模块能够展现出多个并行的半导体开关的同时开关和平衡的操作、比当前可用的功率模块更低的杂散电感以及更稳定和有效的操作。
6.根据本发明的第一方面，通过提供一种提供半桥的功率模块来实现上述和其他目的，该功率模块包括至少一个衬底，该至少一个衬底包括内部负载轨道、两个中间负载轨道和两个外部负载轨道，每个负载轨道是长形的并且在第一方向上基本上横跨至少一个衬底延伸。两个中间负载轨道被布置为与内部负载轨道相邻，并且每个外部负载轨道相对于基本上与第一方向正交的第二方向布置在两个中间负载轨道中一个中间负载轨道的相反侧上。功率模块还包括两组第一组半导体开关，每组第一组半导体开关安装在内部负载轨道上并且电连接到中间负载轨道，使得第一组半导体开关形成半桥的第一臂。另外，功率模块包括两组第二组半导体开关，每组第二组半导体开关安装在中间负载轨道上并且电连接到外部负载轨道，使得第二组半导体开关形成半桥的第二臂。
7.衬底可以包括绝缘基底，具有导电轨道以形成附接到绝缘基底所需的电路系统。合适的衬底可以是由绝缘陶瓷层两侧的两个导电铜层形成的dbc(直接敷铜)衬底。其他合适的衬底可以包括dba(直接敷铝)衬底或本领域公知的其他衬底。
8.术语“轨道”在此用于指定由形成衬底的一部分的金属层形成并且通过间隙与其他轨道绝缘的电路轨道。这种轨道传导电流并且可以用于形成电路系统，该电路系统使半导体开关能够在使用时控制流经半导体功率模块的电流。轨道可以用于传导开关电流本身，或者传导比如栅极信号等控制信号，这些信号控制半导体开关的开关。替代性地，轨道可以用于传导用于感测比如半导体开关模块的不同部分中的温度或电压等参数的信号。轨道的不同用途需要不同的轨道特性，例如它们对电流流动的阻力，或者它们的互感，并且轨道的物理构造和/或它们的布线可以考虑到这一点。术语“负载轨道”在此用于指定适合承载大电流的轨道，比如为电气负载供电的轨道，功率模块为该电气负载供电。对大电流适用性可能是轨道宽度和轨道厚度的组合，形成大的截面积，从而允许大电流通过而不会过度加热。具有较小截面的其他轨道(而不是负载轨道)可能适合传递控制或感测信号。
9.术语“半导体开关”在此用于包括许多已知的半导体开关设备中的任何一种。这种设备的示例是晶闸管、jfet、igbt和mosfet，并且它们可以基于传统的硅技术或宽带隙技术，比如碳化硅(sic)。
10.术语“安装”在此用于意指设备与轨道的永久连接，并且可以包括导电连接。这种连接的方式包括焊接、铜焊和烧结。
11.术语“电连接到”在此用于意指设备的一部分与远程轨道或其他设备的连接。传统上，使用包括铝的金属引线进行这种形式的连接。然而，可以使用其他金属、比如铜。该术语还涵盖条带或胶带粘合、编织带的使用以及实心金属结构(比如夹子或汇流排)的使用。
12.术语“相邻”在此用于表示负载轨道彼此非常接近。参考负载轨道时使用的术语“相邻”不排除在负载轨道之间存在其他形式的轨道、比如控制或感测信号轨道。当两个负载轨道通过绝缘间隙或通过控制或感测信号轨道隔开，而不是通过其他负载轨道隔开时，它们在本文件中仍被描述为彼此“相邻”。
13.负载轨道的布局可以关于在第一方向上延伸的线对称。
14.可以经由布置在中间负载轨道与内部负载轨道之间的栅极轨道进行与包括第一组半导体开关和第二组半导体开关的半导体开关的栅极连接。
15.替代性地或另外地，可以经由布置在中间负载轨道与外部负载轨道之间的栅极轨道进行这种栅极连接。
16.再次替代性地或另外地，可以经由布置在外部负载轨道的与中间负载轨道相反的侧上的栅极轨道来进行这种栅极连接。
17.在一个实施例中，栅极轨道在第一方向上基本上横跨至少一个衬底延伸。
18.在另一个实施例中，由布置在中间负载轨道与内部负载轨道之间的源极感测轨道进行与包括第一组半导体开关和第二组半导体开关的半导体开关的源极感测连接。这种源极感测连接还称为开尔文连接，并且用于使得能够直接测量半导体本身的电位，并且防止负载电流耦接到栅极驱动电路。这有助于避免负载电流的任何电阻和/或电感耦接效应。
19.另外地或替代性地，可以经由布置在中间负载轨道与外部负载轨道之间的源极感测轨道，或者经由布置在外部负载轨道的与中间负载轨道相反的一侧的源极感测轨道进行
与包括第一组半导体开关和第二组半导体开关的半导体开关的源极感测连接。
20.另外地或替代性地，可以经由布置在外部负载轨道与衬底边缘之间的轨道进行与包括第二组半导体开关的半导体开关的源极感测连接和/或栅极连接。
21.在实施例中，源极感测轨道在第一方向上基本上横跨至少一个衬底延伸。
22.在替代实施例中，栅极和开尔文源极连接竖直地延伸至功率模块封装物的顶侧。
23.在优选实施例中，外部dc电源端子在第一方向上布置在模块的一端，并且一个或多个ac电源端子在第一方向上布置在模块的相反端。
24.在替代实施例中，栅极连接中的一个或多个栅极连接可以电连接到放置在功率模块的外表面上、基本上正交于衬底的平面延伸的端子。在这种实施例中，栅极控制信号可以通过“顶部接触”端子引入到功率模块中。这种布置使模块外部的驱动电路与半导体开关本身之间的导体长度最小。这是减少杂散电感的一大优势。
25.在替代实施例中，源极感测连接中的一个或多个源极感测连接可以电连接到放置在功率模块的外表面上、基本上正交于衬底的平面延伸的端子。这种布置使半导体开关与驱动器电路的测量电路之间的导体长度最小，因此可以有助于避免与负载电流的任何电感耦接效应。
附图说明
26.从下文中给出的详细描述中，本发明将被更充分地理解。附图仅通过图示的方式给出，因此，它们不是对本发明的限制。在附图中：
27.图1示出了本发明的功率模块的第一实施例的透视图；
28.图2示出了形成图1中所示的功率模块1的一部分的衬底2的实施例的平面图；
29.图3示出了图2中所示的衬底布局的替代实施例的平面图；
30.图4示出了本发明的功率模块1的衬底的另一个实施例的平面图；
31.图5示出了本发明的功率模块1的衬底的另一个实施例的平面图；
32.图6示出了本发明的功率模块1的衬底的另一个实施例的平面图；以及
33.图7示出了本发明的功率模块1的衬底的另一个实施例的平面图。
具体实施方式
34.现在出于图示本发明的优选实施例的目的详细参考附图，在图1中示出了本发明的功率模块1的第一实施例。所示出的功率模块1包括在功率模块的本体内的衬底2。功率模块1被设计成提供半桥电路，为此在封装的相反端提供三个dc电源端子18、19和两个ac电源端子20、21。在此实施例中，衬底2和与其连接的电路系统以及电源端子18、19、20、21的内部区段被封装在模制化合物22中。其中衬底附接到基板和/或安装在框架内的替代实施例是可能的，该框架随后用硅凝胶填充并且用盖子完成。另外，还可以在单个封装物内安装若干衬底，以提供包含若干半桥的功率模块。用于连接栅极和/或源极感测信号的一个或多个端子101被放置在功率模块的外表面上、基本上正交于衬底2的平面延伸。
35.图2示出了形成图1中所示的功率模块1的一部分的衬底2的实施例。衬底可以是例如dcb(直接敷铜)衬底，该衬底包括用作绝缘体的中心陶瓷层，并且在两侧用铜层包覆。在一些实施例中，下铜层保持完整，而上铜层被蚀刻以形成多个单独的导电轨道，这些轨道形
成所需电路。轨道上安装了比如半导体开关等部件。在图2所示的实施例中，存在五个导电轨道，每个导电轨道基本上在第一方向6上横跨衬底延伸。轨道包括内部负载轨道3、两个中间负载轨道和两个外部负载轨道5。两个外部负载轨道连接到dc电源端子18，并且内部负载轨道3连接到dc负载端子19。两个中间负载轨道分别连接到ac电源端子20、21。
36.在图2中还示出了半导体开关。在此实施例中，半导体开关包括sic(碳化硅)mosfet。还可以使用其他类型的竖直结构半导体开关，例如igbt。
37.第一组半导体开关有两组；8a和8b是一组，而9a和9b是另一组。这两组通过焊接、烧结或通过本领域已知的其他连接技术安装在内部负载轨道3上。它们还从接触表面电连接到中间负载轨道4中的一个，这些接触表面与用于与内部负载轨道3接触的接触表面相反。半导体8a和8b经由引线23连接到(连接至ac电源端子20的)顶部中间负载轨道4，并且半导体9a和9b经由引线23连接到(连接至ac电源端子21的)下部中间负载轨道4。这些是形成半桥电路的第一臂的第一组半导体开关。
38.第二组半导体开关有两组；10a和10b是一组，而11a和11b是另一组。这两组通过焊接、烧结或通过本领域已知的其他连接技术安装在中间负载轨道4的一个上。它们还从接触表面电连接到外部负载轨道5中的一个，这些接触表面与用于与中间负载轨道4接触的接触表面相反。半导体10a和10b经由引线23连接到(连接至dc电源端子18的)顶部外部负载轨道5，并且半导体11a和11b经由引线23连接到(连接至dc电源端子18的)下部外部负载轨道5。这些第二组半导体开关形成半桥电路的第二臂。
39.在替代实施例中，中间轨道4可以连接到延伸到封装物外部的单个ac电端子20。
40.上述每组半导体开关可以由两个以上的半导体芯片组成。
41.图3图示了图2中所示的衬底布局的替代实施例。这两个实施例之间的显著区别在于，两个中间负载轨道4的在图2右侧所示的端部通过交叉轨道区域连接在一起，并且单个ac电源端子20代替了图2中所示的两个端子。
42.图4示出了本发明的功率模块1的衬底的另一个实施例。在此，布局在拓扑上类似于图2中所示的布局，但负载轨道3、4、5的形状细节不同。另外，存在多达两倍的半导体，但这些仍分为两组第一组(8a
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8d和9a
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9d)和两组第二组(10a
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10d和11a
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11d)。图4中还示出关于在第一方向6上延伸的线100对称的负载轨道3、4、5的布局。
43.图5图示了本发明功率模块1的衬底的另一个实施例。在此，负载轨道3、4、5的布局与图4中所示的布局类似，但示出了栅极轨道12、13、14、15和源极感测轨道16、17。栅极轨道12、13、14、15连接到栅极端子25、26、27、28。源极感测轨道16、17连接到源极感测端子29、30。在图5所示的实施例中，栅极轨道12、13、14、15和源极感测轨道16、17都布置在中间负载轨道4与内部负载轨道3之间。其中栅极轨道和源极感测轨道位于其他负载轨道之间的其他实施例是可能的。
44.端子102分别连接到ac电源端子20、21，并且在需要时允许通过驱动电路系统对ac电源轨道进行额外访问。
45.使用多个端子进行栅极和/或源极感测连接允许使用分离式驱动器设备来驱动该模块。通过这种方式，可以使用不同的电压或时序来驱动不同的半导体开关组。
46.图6图示了本发明的功率模块1的衬底的又一个实施例。只示出了整个衬底的一半，因为另一半基本上是对称的。在此，负载轨道3、4、5的布局与图2中所示的布局类似，但
示出了栅极轨道12、15和源极感测轨道17。栅极轨道12、15连接到栅极端子27、28。源极感测轨道17连接到源极感测端子30。在图6所示的实施例中，栅极轨道12、15和源极感测轨道17都布置在中间负载轨道4与外部负载轨道5之间。
47.图7图示了本发明的功率模块1的衬底的又一个实施例。只示出了整个衬底的一半，因为另一半基本上是对称的。在此，负载轨道3、4、5的布局与图2中所示的布局类似，但示出了栅极轨道12、15和源极感测轨道17。栅极轨道12、15连接到栅极端子27、28。源极感测轨道17连接到源极感测端子30。在图7所示的实施例中，栅极轨道12、15和源极感测轨道17都布置在外部负载轨道5与衬底2的边缘之间。