功率电子开关装置、功率半导体模块及制造方法与流程

1.本发明描述了一种功率电子连接装置，该功率电子连接装置被设计作为第一和第二导电薄膜以及布置在该第一和第二导电薄膜之间的电绝缘薄膜的柔性薄膜叠层，其中，导电薄膜中的至少一个导电薄膜本身被结构化并因而形成多个薄膜导体迹线。当然，薄膜叠层还可以具有交替布置的电绝缘和导电薄膜。此外，本发明描述了一种具有该类型的连接装置的功率半导体模块，以及一种用于制造该类型的连接装置的方法。


背景技术：

2.de 10 2007 006 706a1公开了一种电路布置，该电路布置具有：基板；导体迹线，其被布置在该基板的主表面上；至少一个半导体组件，其第一主表面被布置在第一导体迹线上；导电连接装置，其连接至半导体组件的第二主表面的至少一个接触表面。在该情况下，半导体组件与第一导体迹线和/或连接装置的连接形成为压力烧结连接，并且绝缘材料被布置在连接装置和半导体组件的相关联边缘之间。
3.由此，在了解现有技术的情况下，本发明的基本目标是研制功率电子连接装置和功率半导体模块，以便更好地满足对载流能力和机械柔性的各种要求，以及规定一种用于制造该类型的连接装置的方法。


技术实现要素：

4.根据本发明，该目标通过如下一种功率电子连接装置实现，该功率电子连接装置被设计作为第一和第二导电薄膜以及布置在该第一和第二导电薄膜之间的电绝缘薄膜的柔性薄膜叠层，其中，导电薄膜中的至少一个导电薄膜本身被结构化并因而形成多个薄膜导体迹线，其中，这些薄膜导体迹线中的第一薄膜导体迹线在第一段中具有第一平均厚度并且在第二段中具有第二平均厚度，第二平均厚度比第一平均厚度小至少10％，优选地是至少20％。
5.在该情况下，平均厚度总是正交于电流的方向确定。换句话说，电流流过垂直于电流的方向的表面元件，该表面元件的平均高度对应于该段的平均厚度。该平均高度也对应于相同表面区域的虚拟表面元件的高度。第一平均厚度有利地是具有在80μm至250μm之间、优选地是在100μm至150μm之间的值。
6.在该情况下，特别优选地是，第一薄膜导体迹线被设置以便承载功率电子开关装置的负载电流，所述功率电子开关装置特别是作为功率半导体模块的一部分。
7.也特别有利地是，第一薄膜导体迹线具有弓形段，并且第一段是该弓形段的一部分或者在一端或两端处突出超过该弓形段。
8.可能特别有利地是，第一薄膜导体迹线具有平均宽度，并且第一薄膜导体迹线的第一段具有第一最小段宽度，第一最小段宽度比平均宽度小至少10％，优选地是至少20％。
9.也特别有利地是，第一薄膜导体迹线具有平均宽度，并且第一薄膜导体迹线的第二段具有第二最小段宽度，第二最小段宽度比平均宽度大至少10％，优选地是至少20％。
10.因此，平均宽度旨在被理解为意指在每种情况下都具有薄膜导体迹线的长度的虚拟矩形的宽度。
11.可能有利地是，第一薄膜导体迹线的第一段的背对电绝缘薄膜的表面具有平坦表面或浮凸表面。
12.该目标进一步通过一种功率半导体模块实现，该功率半导体模块具有：根据本发明所述的功率电子连接装置；基板，其具有彼此电绝缘的多个导体迹线；功率半导体组件，其被布置在第一导体迹线上并且在其背对基板的一侧上具有接触表面，导电薄膜的薄膜导体迹线以导电方式连接至该接触表面。
13.在该情况下，可能有利地是，功率半导体模块的连接装置具有弓形路径，该弓形路径在功率半导体组件的边缘区域中开始并从该边缘区域延伸离开。
14.该目标进一步通过一种用于制造上述功率电子连接装置的方法来实现，该方法具有优选地是以a-b-c或b-a-c或b-c-a的顺序执行的方法步骤：
15.a.形成由第一导电薄膜、电绝缘薄膜和第二导电薄膜构成的薄膜叠层的材料结合连接，特别是粘合剂连接；
16.b.结构化导电薄膜中的至少一个导电薄膜，以形成多个薄膜导体迹线；
17.c.部分地改变第一薄膜导体迹线的厚度，以形成具有第一平均厚度的第一段和具有第二平均厚度的第二段。
18.在该情况下，有利地是，第一段的第一平均厚度通过在第一段的自由表面上以材料结合的方式布置金属模制件或金属薄膜或通过以材料结合的方式布置金属、特别是通过电沉积而产生。一种作为电沉积的替代的简单方法是施加焊料层。这特别适合于小区域。
19.也优选地是，第二段的第二平均厚度通过对该第二段的机械、化学或组合的机械-化学减薄而产生。对于机械方法，研磨或铣削特别适合，对于化学方法，蚀刻特别适合。一种特别有利的减薄方法是用颗粒轰击，因为这会产生不均匀的杂乱的结构化表面。
20.原则上，优选地是，导电薄膜的相应厚度在10μm至500μm之间，优选地是在50μm至250μm之间，并且电绝缘薄膜的厚度在2μm至200μm之间，优选地是在10μm至100μm之间。
21.根据本发明的方法以及因而还有利用所述方法对应地生产出来的功率电子连接装置与现有技术相比具有各种优点。通过以有针对性的方式调整厚度，特别是使之与导体迹线的宽度结合来适合待承载的负载电流，一方面可以在电流传导方面优化构造。另一方面，可以考虑机械要求，例如在弓形区域中增大柔性。原则上，与现有技术相比具有更大的设计自由度。
22.当然，在根据本发明的连接装置中也可以若干次存在单独指定的特征，特别是第一薄膜导体迹线，除非这本身或明确地被排除。在功率半导体模块的范围内，功率半导体组件特别可以若干次存在并且也可以以不同的构造存在。
23.应理解，本发明的各种构造可以单独实现，或以任何组合实现，以实现改进。特别地是，上文和下文中指定和解释的特征，无论它们是否在功率电子连接装置、功率半导体模块或方法的范围内描述，都不仅可以以指定的组合应用，而且可以以其它组合或孤立地应用，而不会脱离本发明的范围。
附图说明
24.本发明的进一步解释、有利细节和特征在图1至图7中示意性表示的本发明的例证性实施例或其相应部分的后续描述中阐述。在该情况下，根据本发明的连接装置也总是旨在应被理解为表示根据本发明生产出来的连接装置。
25.图1示出了具有根据现有技术的功率电子连接装置的功率电子开关装置的布置的侧向截面图；
26.图2示出了根据本发明的功率电子连接装置的第一构造；
27.图3示出了根据本发明的功率电子连接装置的第二构造；
28.图4和图5示出了根据本发明的功率电子连接装置的剖视图；
29.图6示出了根据本发明的连接装置的第三构造的一个部分的不同视图；
30.图7示出了根据本发明的连接装置的第四构造的一个部分的不同视图。
具体实施方式
31.图1以示意性分解图和侧视图示出了作为根据现有技术的用于布置在冷却装置(在这里，其被设计作为液体冷却装置14)上的功率半导体模块的一部分的功率电子开关装置1。基本上以标准方式设计的基板2被表示为具有绝缘材料体20和导体迹线22、24，导体迹线22、24布置在绝缘材料体20上并且在每种情况下彼此电绝缘，导体迹线22、24具有开关装置的不同的电势，特别是负载电势，而且还有辅助电势，特别是控制电势和测量电势。这里具体表示了对于半桥拓扑中的开关装置而言典型的负载电势的三个导体迹线22、24。
32.功率半导体组件5被布置在第一导体迹线22上，该功率半导体组件可以被以标准方式设计作为单独的开关，例如被设计作为mos-fet，或者被设计作为具有这里表示的反并联连接的功率二极管的igbt。功率半导体组件5，更准确地说是它们的第一金属化部的第一接触表面，以标准方式以材料结合的导电的方式连接到第一导体迹线22，优选地是通过压力烧结连接4而连接。
33.开关装置1的内部连接通过连接装置3由被设计作为柔性薄膜叠层的薄膜复合物形成，该柔性薄膜叠层具有交替的导电薄膜30、34和电绝缘薄膜32。这里，薄膜复合物具有正好是两层导电薄膜和被布置在该两层导电薄膜之间的绝缘薄膜。特别地是，连接装置3的导电薄膜30、34本身被结构化，并因而形成彼此电绝缘的薄膜导体迹线。特别地是，这些薄膜导体迹线将相应的功率半导体组件5，更准确地说是其背对基板2的一侧上的第二接触表面连接到基板2的第二导体迹线24。这里，薄膜导体迹线的接触段通过压力烧结连接4以材料结合的方式连接到基板2的接触表面。
34.功率电子开关装置1具有用于外部电连接的负载和辅助连接元件。仅经由示例，负载连接元件被设计作为金属模制件10，该金属模制件10通过接触脚以材料结合的方式连接到基板2的第二导体迹线24，有利地是也通过压力烧结连接而连接。辅助连接元件也是标准的，其可以被设计作为接触弹簧12。原则上，连接装置3本身的部分也可以被设计作为负载或辅助连接元件。
35.压力装置7具有面向基板2的第一主表面和背对基板2的第二主表面，并且为了清楚起见，这里表示为与连接装置3间隔隔开。压力装置7由压力体72和多个压力元件组成，图中示出了所述多个压力元件中的两个压力元件。压力体72具有特别刚性的设计，以便能够
以均匀方式将施加到压力体72的压力传递到压力元件。压力元件被布置在压力体的凹进中，所述凹进被设计作为从第一主表面开始的凹陷。
36.该布置进一步具有液体冷却装置14，该液体冷却装置14的表面覆盖有导热层140，功率电子开关装置1，更准确地说是其基板2被布置在该导热层140上。
37.替代性地是，基板2的绝缘材料体20可以被设计作为直接层压到散热器14上的电绝缘薄膜。即使在该情况下，导体迹线22、24也可以被设计作为由铜或铝制成的扁平的线元件。
38.该布置进一步具有被布置在连接装置上方的压力引入装置76。通过倚靠着散热器的该压力引入装置(未示出)，压力70被施加到压力体72。在每种情况下，该压力作为分压74通过压力元件直接传递到薄膜复合物上。所施加的压力将整个基板2压到散热器14上。
39.根据本发明的功率半导体模块当然可以具有未明确描述的根据现有技术的上述开关装置的组件。在功率电子系统的范围内，根据本发明的这些功率半导体模块也适合并且被设计成布置在散热器上，特别是液体散热器上。
40.图2示出了根据本发明的功率电子连接装置3的第一构造以及根据本发明的第一功率半导体模块的剖视图。表示出功率半导体模块的基板2的第一和第二导体迹线22、24，其中，功率半导体组件5被布置在第一导体迹线22上，并且以导电方式连接，如上面在图1中所述的那样。
41.根据本发明的连接装置3具有第一导电薄膜30，该第一导电薄膜30面向基板2并且以上述方式连接到功率半导体组件5和第二导体迹线24。在基板2的法线方向n上，第一导电薄膜30随后是电绝缘薄膜32，然后是第二导电薄膜34。从该第二导电薄膜34开始，存在通过结构化薄膜34而产生的第一薄膜导体迹线340。在该情况下，特别是产生了被布置在电绝缘薄膜32上的空间分离的薄膜导体迹线340(也参见图4)。第一薄膜导体迹线340内的电流的方向另外用双箭头表示。
42.连接装置3在其从功率半导体组件5到第二导体迹线24的路径中具有弓形段360。在电流的方向上看，第一薄膜导体迹线340的第二段344被完全布置在该弓形段360内。第一段342分别在两侧上连接到所述薄膜导体迹线。在该情况下，第二段344具有第二平均厚度844，该第二平均厚度844比第一段342的第一平均厚度842小20％，也参见图4。
43.图3示出了根据本发明的功率电子连接装置3的第二构造，以及根据本发明的第二功率半导体模块的剖视图。这些构造尽可能对应于根据图2的那些构造，但是在该情况下，第一薄膜导体迹线340的第二段344(在这里，其在功率半导体组件的区域中)伸出超过弓形段360。
44.图4和5分别以侧视图示出了根据本发明的功率电子连接装置3的剖视图，其具有第一(在这里，第一未丧失一般性)非结构化导电薄膜30，电绝缘薄膜32直接连接到第一非结构化导电薄膜30，继而，第二导电薄膜34直接连接到电绝缘薄膜32。该第二导电薄膜34本身被结构化，并且在这里形成彼此都完全电绝缘的第一和第二薄膜导体迹线340、350。
45.图4表示垂直于电流的方向并沿着根据图2的连接装置3的平面a-a的截面图。这里，第一薄膜导体迹线340在其第二段344中具有恒定的第二平均厚度844。具有也与第二薄膜导体迹线350的厚度相同的第一厚度842的第一薄膜导体迹线340的第一段342被表示为虚线，其被有效地布置在背景中或在它后面的绘图平面的观察方向上。仅经由示例，未加厚
或减薄的导电薄膜30、34的厚度为150μm，电绝缘薄膜的厚度为30μm。在该例证性实施例中，第一平均厚度因此为150μm，而第二平均厚度为120μm。
46.图5表示垂直于另一连接装置3的电流的方向的截面图。这里，第一薄膜导体迹线340在其第二段344中具有由波形轮廓形成的第二平均厚度844。具有也与第二薄膜导体迹线350的厚度相同的第一厚度的第一薄膜导体迹线340的第一段342被表示为虚线。
47.图6示出了根据本发明的连接装置3的第三构造的一个部分的不同视图。上方视图示出了具有瓶颈的第一薄膜导体迹线340的平面图。下方视图分别表示通过该第一薄膜导体迹线340的两个平面的两个截面。
48.第一薄膜导体迹线340在第一段342中具有第一平均厚度842，该第一平均厚度842是通过沿着第一段342以材料结合的方式布置金属薄膜346而产生的，而不是在该第一段的整个宽度上产生。
49.第一薄膜导体迹线340在第二段344中进一步具有第二平均厚度844，该第二平均厚度844是通过沿第二段344经由铣削而机械减薄来产生的，而不是在该第二段的整个宽度上产生。
50.此外，表示了第一薄膜导体迹线340的第一平均宽度880以及第二段344的第二最小段宽度882(在这里，其比平均宽度880小20％)。该第一段342的较大的第一平均厚度842补偿较小宽度880，因为原则上，横截面面积对于载流能力是至关重要的。当然，对于补偿较小的第二平均厚度844的第二段的第二最小段宽度882，同样的道理也适用于相反的情况。
51.图7示出了根据本发明的连接装置3的第四构造的一个部分(这里是第一薄膜导体迹线340)及其电流的方向(以双箭头表征)的不同视图。按次序说，上方视图表示的是平面图，下方视图表示的是侧视图。
52.沿着电流的方向，第一薄膜导体迹线340在这里在第二段344中以波状方式减薄，其中，减薄在第二段的中间最为明显。如果第二段344的该构造旨在布置在连接装置的弓形段中，甚至可能超过该弓形段，则该构造是特别有利的。