专利名称：具有三维表面轮廓的衬底的功率半导体模块及其制造方法
技术领域：
本发明介绍了一种具有承载功率半导体构件的衬底的特殊构造的功率半导体模 块及其制造方法。
背景技术：
在DE 103 55 925 Al中示例性地公开了一种功率半导体模块，具有平面式的衬 底，在该衬底上具有适合电路地设置的导体带，导体带构成为平面式的金属层的分层，类似 于公知的并且在多种情况下应用于功率半导体模块中的直接敷铜(DCB)衬底那样。在导体 带上布置有功率半导体构件和具有与该功率半导体构件相当的尺寸的能导电的分隔元件。 所述元件借助连接装置连接，该连接装置由箔片复合体组成，该箔片复合体由至少两个金 属箔片层连同各一个布置于其间的电绝缘箔片层组成。由DE 10 2007 054 710 Al公知的是，上面所提及的基本相同类型的连接装置在 绕过分隔元件的情况下以如下方式布置在功率半导体模块中，即，在功率半导体模块与衬 底之间的高度差通过连接装置自身变形而得到补偿。因此，所提及的现有技术的缺点在于，为了补偿在衬底与功率半导体构件之间不 同的水平高度，要么附加地设置分隔元件，要么使连接装置变形。前者要求用于设置的额外 的工序，而后者在有待连接的结构较复杂的情况下在连接装置中可能产生应力。此外，通过 已知的连接装置，只能针对小功率至中等功率令人满意地构成负载连接元件用于功率半导 体模块的对外连接。此外，示例性地由DE 10 2006 058 695 Al 或DE 10 2006 006 425 Al 公知的是，
将功率半导体模块的负载连接元件构成为金属成型体，所述金属成型体与衬底的导体带材 料配合地或形状配合地连接。
发明内容
因此，本发明基于如下任务，S卩，提出一种具有改进的衬底的功率半导体模块及其 制造方法，该功率半导体模块如同衬底自身的扩展功能示例性地作为接合装置或者连接装 置那样，对于内部电连接装置的简单布置方案也是行得通的。该任务根据本发明通过具有权利要求1的特征的功率半导体模块及具有权利要 求5的特征的制造方法来解决。优选的实施方式在各从属权利要求中有所介绍。上面所提及类型的功率半导体模块形成了本发明的基本出发点。该功率半导体模 块具有带电绝缘层和第一金属层的衬底，第一金属层自身被结构化并且因此构成有分层。 这种衬底例如作为DCB(direct copper bonded，直接敷铜)衬底在多种情况下用于功率半 导体模块的领域中。该功率半导体模块的长处在于具有大多双侧铜遮盖部的绝缘材料体， 该铜遮盖部构成了两个平坦的主面，其中，在第一主面上以及在那里在结构化的铜遮盖部 上布置有譬如功率半导体开关、电阻和传感器的构件，而自身大多未进行结构化的第二铜 遮盖部与冷却装置相连。
根据本发明的功率半导体模块具有衬底，在该衬底的至少一个表面上具有三维轮 廓。为此，在衬底的绝缘层的至少一个表面上布置有自身结构化的第一金属层，其中，在该 第一金属层上布置有带至少一个第二分层的第二金属层，该第二分层具有所述三维表面轮 廓。该三维表面轮廓构成至少两个平面，其中，在所述平面上设置有用于内部连接或者对外 连接的接触面。在这种情况下，特别优选的是，相应的第二分层以至少90 %的程度覆盖配属 于该第二分层的第一分层。具有绝缘层和结构化的第一金属层的结构类似于公知的DCB-衬底，但其中，在这 里该第一金属层优选薄了十倍地构造。除了衬底之外，根据本发明的功率半导体模块具有常见的部件，譬如用于对外电 连接的负载连接元件和辅助连接元件以及大量功率半导体构件，其中，功率半导体构件中 的至少一个布置在第二金属层的第二分层上。为了适合电路地进行内部电连接，功率半导 体模块优选还具有连接装置，如该连接装置例如在现有技术中已知的那样。该连接装置首 要地用于将衬底的至少一个接触面与至少一个功率半导体构件的背向该衬底的至少一个 接触面相连接。同样可以优选的是，第二金属层的至少一个第二分层在第一金属层的所配属的第 一分层边缘区域中超出该第一金属层的所配属的第一分层并且在其进一步的伸展中自身 构成了功率半导体模块的第一对外连接元件。可替选地或者附加地，可以优选的是，第二金属层的至少一个第二分层具有如下 的区段，所述区段在侧向上未超出所配属的第一分层，但该区段以一角度从该第二分层伸 出并且在其进一步的伸展中构成了功率半导体模块的第二对外连接元件。对于确定的应用方案可以优选的是，衬底的三维表面轮廓不仅设置在绝缘层的一 侧上，而且设置在绝缘层的两侧上。根据本发明的、用于制造依照上述说明构成的这种功率半导体模块的方法的特征 在于如下主要步骤·提供基础衬底，基础衬底具有绝缘层和设置于绝缘层上的自身结构化的第一金 属层，其中，结构化部构成了第一分层。第一分层形成了功率半导体模块的电路技术上的基 本结构。·构成具有三维表面轮廓的至少一个第二金属层，其中，这优选通过冲压-弯曲技 术或者通过折叠恒定厚度的金属体来实现。由此，由金属体，例如由厚度在100 μ m数量级 的金属箔片形成了衬底的三维结构。形成第二金属层的各第二分层优选分别地制成。但同 样可以优选的是，多个第二分层由共同的工件制成，并且在将其布置在基础衬底上之后才 分开，方式为例如到那时去除尚存的连接。·将第二金属层的至少一个第二分层与第一金属层的所配属的第一分层优选借助 加压烧结方法连接。·将至少一个功率半导体构件布置在三维第二分层的第一平面上。·在有些优选的情况下，这时还可以接有的是对第二分层的区段的进一步变形步 骤，其中，该区段在这种情况下被部分地放置于功率半导体构件上，并且因此代替附加的连 接装置，建立适合电路的内部连接，优选为负载连接。所提及的制造方法和所属的功率半导体模块的优点是，通过构造具有三维表面结构的第二金属层，既能简单地布置连接装置，同样还附加地或可替选地，衬底、更确切地说 是第二分层自身可以用作接合元件或连接元件。
本发明的特别优选的改进方案在对实施例的相应说明中有所提及。对此，本发明 的解决方案结合实施例和图1至6进一步阐述。图1示出根据本发明的功率半导体模块的第二分层的第一构成方案的不同阶段。图2以两个视图示出根据本发明的功率半导体模块的第二分层的第二构成方案 的不同阶段。图3示出根据本发明的功率半导体模块的第二分层的第三构成方案的不同阶段。图4示出根据本发明的功率半导体模块的衬底的构造方案。图5在分解图中示出根据本发明的功率半导体模块的主要部件。图6示出另一根据本发明的功率半导体模块的主要部件。
具体实施例方式图1示出根据本发明的功率半导体模块的第二分层16的第一构成方案的不同阶 段。所示出的是厚度在100 μ m数量级的呈金属箔片形式的金属体，在此特别优选的是厚度 在80 μ m与500 μ m之间的铜箔片。阴影区域160在制造过程之后构成了具有第一平面162 和第二平面164的表面三维轮廓。为此，阴影区域160绕折弯边166弯折直至该阴影区域 置于第一平面162上。对于有些应用方案而言，可以优选的是，弯折以小于180°的角度来 实施，例如用于构成负载连接元件。图2以两个视图示出根据本发明的功率半导体模块的第二分层16的第二构成方 案的不同阶段。在这里，能够与根据图1的介绍相当的金属体形成了出发点。其中，通过U 形冲压部170使至少一个区段自由并且在进一步的步骤中将该区域沿着折弯边166以如下 方式弯折，即，该区域又置于第一平面162的面上，由此又产生了第二分层16的三维表面轮廓。图3示出根据本发明的功率半导体模块的第二分层16的第三构成方案的不同阶 段。在这种情况下，金属体在一区域内借助合适的变形部172被隆起，由此，形成至少一个 双折部174。该双折部174在接下来紧接着的步骤中被推压到第一平面162的表面上，由 此，第二平面164形成三维表面轮廓。图4示出根据本发明的功率半导体模块的衬底10的构造方案。在这里，在两个 视图中示出衬底10，如其示例性地而并非限定于此地具有作为绝缘层12的呈陶瓷形式 的绝缘材料基体。该绝缘材料基体具有的优选厚度在毫米数量级，典型地为500 μ m。第 一金属层布置在该绝缘材料基体上并且被结构化形成第一分层14a/14b/14c。第一分层 14a/14b/14c具有的优选厚度在10 μ m数量级。作为材料适于此的特别是具有其他金属 或者金属氧化物的不同的小剂量混入物的贵金属或者具有贵金属表面的铜。第二金属层由大量第二分层16a/16b/16c形成，如其示例性地结合图1至3在原 理上所介绍的那样来制造。第一金属层的左边所示的第一分层Ha被所配属的第二分层 16a覆盖达到90%，以便为布置在第二分层20的第一平面162上的构件提供足够的位置。从此观点来看，完全覆盖同样可以是有利的。在左边示出第二负载连接元件，第二负载连 接元件通过如下方式来制造，类似地示例性地依照图1，将第二分层的区段仅以如下程度弯 折，即，该区段以一角度(在此例如为90° )从该分层伸出。在该区段进一步的伸展中，该 区段构成功率半导体模块的第二对外负载连接元件182，该第二对外负载连接元件借助连 接机构184用于对外连接。居中示出的第一分层14b同样被第二分层16b覆盖，但第二分层在两个侧上构成 同样类型的三维表面轮廓。所配属的第二分层16c朝向衬底10的边缘超出右边所示的第一分层14c。该区域 在其进一步的伸展中用作功率半导体模块的第一对外负载连接元件180。相应的第二分层16a/16b/16c在此构成为厚度为350 μ m的铜箔片并且在其面向 相应的第一分层14a/14b/14c的表面上设有贵金属表面，以便能够借助加压烧结连接与相 应的第一分层14a/14b/Hc相连接。图5以分解图示出根据本发明的功率半导体模块的主要部件，其中，衬底10很大 程度上相应于依照图4的衬底。因此，在第二分层16a/16b的各第一平面162上以彼此电 绝缘的方式布置有各一个功率半导体构件20。连接装置30，如其示例性地在现有技术中所公知的那样，将左边的功率半导体构 件20的布置在背向衬底10的侧上的接触面202与衬底10的布置在中间的第二分层16b 的第二平面164上的接触面202连接32。为此，连接装置30不言而喻地以如下方式构成， 即，在功率半导体构件20的接触面202与左边的第二分层16a的第二平面164的接触面 102之间并不进行导电连接34。即，所有不适于电路的连接34均未构造。以同样的方式，连接装置30将在中间的第二分层16b的第一平面162上的功率半 导体构件20的接触面202与右边的第二分层16c相连接32。由这种连接装置30的现有技 术同样公知多种接触面，例如功率晶体管20的发射极接触面和栅极接触面，用来接触连接 并且进而以适合电路的方式连接。根据本发明的功率半导体模块的主要优点在此为，所有有待连接的接触面102、 202在几何上置于至少几乎相同的水平高度上并且因此该连接装置30不必桥接明显的高度差。对外负载连接元件180同样借助第二分层16a/16c来构成，方式为第二分层 16a/16c在侧向上超出所配属的第一分层14a/14c以及在此同样超出衬底10的绝缘层12 并且在其进一步的伸展中借助合适的连接机构184例如借助螺栓连接件构成第一对外负 载连接元件180。图6示出另一根据本发明的功率半导体模块的主要部件。在此示出的是，衬底10 的布置在作为衬底基础的金属体100上的绝缘层12。在绝缘层12的与金属体100对置的 侧上布置有第一分层14a/14b和第二分层16a/16b。左边的第二分层16a在这种情况下又具有如下区段，该区段以一角度从该第二分 层16a伸出并且构成第二负载连接元件182。此外，左边的第二分层16a具有另一区段186， 该区段186超出所配属的第一分层1 并且在制造方法期间在时间上受限地如同负载连接 元件182那样以一角度伸出。在将功率半导体构件20布置在右边的第二分层16b上之后，同样带有第二负载连接元件182，在该制造方法的稍后的步骤中使左边的第二分层16a的另外的区段186再次变 形。通过进一步的变形，让该另外的区段置于右边的第二分层16b的功率半导体构件20的 背向衬底10的表面上并且因此构成模块内部的负载连接。通过该构造方案可以示例性地 构成两个晶闸管的反并联的布线，而无需附加的模块内部的连接装置。
权利要求
1.功率半导体模块，具有衬底(10)；用于对外电连接的连接元件(180、182)；以及大 量功率半导体构件(20)，其中，所述衬底(10)具有电绝缘层(12)，在所述电绝缘层(12)上 布置有第一金属层，所述第一金属层自身被结构化并且进而构成第一分层(Ha/14b/Hc)， 并且其中，在所述第一金属层上布置有带至少一个第二分层(16a/16b/16c)的第二金属 层，所述至少一个第二分层(16a/16b/16c)具有三维表面轮廓。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述第二金属层的至少一个第二分 层(16a/16b/16c)以至少90%的程度覆盖所配属的所述第一分层(Ha/14b/Hc)。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述第二金属层的至少一个第二分 层(16a/16b/16c)在所配属的所述第一分层(14a/14b/14c)的边缘区域超出所配属的所述 第一分层(14a/14b/14c)并且在所述至少一个第二分层(16a/16b/16c)的进一步的伸展中 构成所述功率半导体模块的第一对外负载连接元件(180)。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述第二金属层的至少一个第 二分层(16a/16b/16c)具有如下的区段，所述区段以一角度从所述至少一个第二分层 (16a/16b/16c)伸出并且在所述区段进一步的伸展中构成所述功率半导体模块的第二对外 负载连接元件(182)。
5.用于制造根据前述权利要求之一构成的功率半导体模块的方法，其特征在于如下主 要步骤 提供基础衬底，所述基础衬底具有绝缘层(12)以及自身结构化的并且进而构成第一 分层(14a/14b/14c)的第一金属层； 构成第二金属层的具有三维表面结构的至少一个第二分层(16a/16b/16c)； 将所述第二金属层的所述至少一个第二分层(16a/16b/16c)与所配属的所述第一分 层(14a/14b/14c)连接； 将至少一个功率半导体构件00)设置在第二分层上。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二分层(16a/16b/16c)的所述三维表面结 构通过冲压-弯曲技术由恒定厚度的金属体构成。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第二分层(16a/16b/16c)的所述三维表面结 构通过折叠恒定厚度的金属体来构成。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，在相应的所述第一分层(14a/14b/14c)与所述第 二分层(16a/16b/16c)之间的连接借助加压烧结方法来构成。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，在布置了所述至少一个功率半导体构件00)之 后，第二分层(16a)的区段(186)被再次变形并且在这种情况下部分地置于所述功率半导 体构件00)上。
全文摘要
一种具有三维表面轮廓的衬底的功率半导体模块及其制造方法，其具有衬底；用于对外电连接的连接元件；和大量功率半导体构件，衬底具有电绝缘层，在电绝缘层上布置第一金属层，第一金属层自身被结构化并进而构成第一分层，在第一金属层上布置带至少一个第二分层的第二金属层，第二分层具有三维表面轮廓。制造时以具有绝缘层及具有自身结构化的进而构成第一分层的第一金属层的基础衬底开始。接着，构成第二金属层使得构成具有三维表面结构的各个分层。在将第二分层布置在所配属的第一分层上之后，将功率半导体构件布置在第二金属层上。其中对衬底进行了改进，该功率半导体模块对于内部电连接装置的简单布置方案也是行得通的。
文档编号H01L23/48GK102110679SQ20101052825
公开日2011年6月29日 申请日期2010年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者汤姆斯·施托克迈尔 申请人:赛米控电子股份有限公司