专利名称：半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件以及更具体地涉及一种提供高电流密度且高效冷却的半导体器件。
背景技术：
与现有技术的半导体器件有关的问题是使用期间产生的热。发热通常会限制器件的工作。以前已知的半导体器件已设置有冷却装置，以将半导体器件产生的热转移至周围环境。该冷却装置可以包括一个或两个冷却元件。与上述半导体器件有关的一个问题是器件的内部布线和高效冷却会增加器件的尺寸并使器件的结构复杂。
发明内容
本发明的目的是克服上述缺点并提供一种相对小且简单的半导体器件，所述半导体器件具有高效冷却并因而具有最大化的每半导体芯片电流密度和功率电子模块中的功率密度。该目的通过如下半导体器件实现。所述半导体器件包括半导体元件以及用于冷却所述半导体元件的冷却装置，其中，所述半导体元件是包括第一电极和第二电极的逆导型半导体开关，所述第一电极和所述第二电极布置在所述半导体元件的相反面上；所述冷却装置包括第一冷却元件，所述第一冷却元件与所述半导体元件的第一电极相接触以将来自于所述半导体元件的热负荷转移至所述第一冷却元件，所述第一冷却元件由导电材料制成以使所述半导体元件的所述第一电极电连接至外部设备；所述冷却装置还包括第二冷却元件，所述第二冷却元件与所述半导体元件的所述第二电极相接触以将来自于所述半导体元件的热负荷转移至所述第二冷却元件，所述第二冷却元件由导电材料制成以使所述半导体元件的所述第二电极电连接至外部设备；以及所述半导体器件包括电连接至所述半导体元件的栅极以控制所述半导体元件的状态的接口。使逆导型半导体开关的电极与由导电材料制成的冷却元件相接触的方案使得能够利用半导体器件的同一部分进行冷却和电连接。这简化了半导体器件的内部布线并使得可以获得利用逆导型半导体开关的全部电流能力的简单而紧凑的结构以及高效的双面冷却。本发明的优选实施例在从属权利要求中公开。
下面将参照附图并通过示例来更加详细地描述本发明，其中图I示出了组装之前的半导体器件，图2示出了组装之后的图I中的半导体器件，图3是图2中的半导体器件的横截面图，以及
图4示出了半导体器件的第二实施例。
具体实施例方式图I至图3示出了包括冷却装置的半导体器件1，所述冷却装置包括第一冷却元件2和第二冷却元件3。冷却元件2和3由导电材料制成以有助于半导体元件4的第一和第二电极通过这些冷却元件2和3电连接至外部设备。出于该目的，冷却元件2和3的外表面6和7配备有例如线缆夹。如附图所示，其中一个是阳极而另一个是阴极的第一和第二电极布置在半导体元件的相反面上。在所示出的示例中,第一冷却元件2的内表面5设置有八个半导体元件4。所示半导体元件全部具有与第一冷却元件2的内表面5相接触的第一电极8。可以使用合适的导电材料将第一电极8键合(bond)到第一冷却元件2。一种替换方式是利用焊料层或烧结银 层。第一冷却元件2的内表面5还设置有导电路径9，该导电路径9通过电绝缘材料层10与内表面5分离开。设置导电路径9和绝缘材料层10的一种替换方式是利用一个或更多个PCB (印刷电路板)或金属化(Cu、Al)的陶瓷结构(AlN、SiN、A10)，例如DBC (直接键合铜)或AMB (活性金属钎焊)。导电路径9通过例如布线11连接至半导体元件4的栅极。半导体器件I还包括接口 12，所述接口 12在该示例中包括三个突出的管脚。这些管脚连接至导电路径9。一种替换方式是管脚中的两个用于对半导体元件4的栅极通电以从外部控制半导体元件4的状态。以这种方式，所有的半导体元件4可以同时进入从半导体元件的第一电极8至它们的第二电极13的路径处于导通的第一状态，以及同时进入从半导体元件的第一电极至它们的第二电极13的所述路径处于不导通的第二状态。这使得可以将半导体器件I用作开关，其中通过改变在第一冷却元件2和第二冷却元件3之间并联连接的半导体元件4的状态来实现开关。接口 12的第三管脚(如果设置有的话)可以用于从半导体器件I获取状态信息至外部控制设备。可以使用任何其它类型的导体来替代管脚，例如连接器、线缆或电线。在所示实施例中，例如假定第二冷却元件3的内表面15在内表面15与半导体元件4的第二电极13相接触的位置处设置有突出部或间隔装置(spacer，衬垫，垫片)14。这些突出部可以像第二冷却元件3 —样是板的一体固定部分或者是在半导体器件I组装期间布置在正确位置的可替换的独立导电元件。由于这些突出部或间隔装置14，可以确保当如图I所示的第二冷却元件3布置在半导体器件4的顶部以组装半导体器件I时导电路径9和/或半导体芯片4的边缘不接触到第二冷却元件3，如图3的横截面图所示。这些突出部可以具有与第二冷却元件相同的材料或者可以具有在热膨胀系数、导热和导电方面具有足够特性的另外的材料(例如铝-石墨、铜-石墨、钥、钥合金等)。为了在第二冷却板3与半导体元件4的第二电极13之间获得良好且可靠的电接触，可以在第二电极13与突出部14之间布置合适的键合材料。一种可替换方式是利用焊料层或烧结银层。在图3所示的横截面图中，例如假定在第一冷却元件2和第二冷却元件3之间的空间内至少部分地填充有电绝缘材料17，例如硅凝胶或环氧树脂。
为了有助于半导体器件I的简单安装，在所示示例中半导体器件设置有延伸穿过它的孔16。这个孔可以容置例如装配螺钉。然而，应该确保螺钉的至少一端设置有电隔离材料层以避免第一冷却元件2和第二冷却元件3通过螺钉而相互电连接。在一些实施方式中会需要第一冷却元件2和/或第二冷却元件3连接至导电路径9中的一路(在层10上可以布置有若干导电路径并使它们彼此电隔离)。这样的电连接可通过连接至第一冷却元件2的内表面和相应导电路径9的电线来实现。这样的电连接可以通过将第二冷却元件3的内表面直接焊接至导电路径9来实现。第二冷却元件3的间接连接可通过半导体芯片4的顶部电极与导电路径9的线连接来实现。
半导体元件4可以是逆导型半导体开关，例如RC-IGBT (逆导型绝缘栅双极性晶体管)或BiGT(双模式绝缘栅晶体管)。这样的半导体元件在相同的娃体积(silicon volume)内组合了两种功能，换言之为开关功能和整流器功能。半导体元件可以在两种模式下使用，作为开关和作为续流二极管。由于这样的半导体元件，可以在确保高效冷却的同时提高半导体器件的电流/功率密度。这些半导体元件代表了最近开发的新一代芯片(在开发中关注于逆导功能)。它们允许高得多的每模块面积上的功率/电流密度。然而，单面冷却不足以充分利用该构思的益处。逆导型芯片的双面冷却代表了允许接近它们极限地利用构思并允许功率电子模块中相当高的电流/功率密度的芯片封装组合。所示实施例的半导体器件所获得的优点在于内部布线变得最少而且简单，这是因为半导体元件的电极8和电极13的电连接可通过冷却元件2和3实现，而无需为此目的的额外的内部布线。此外，因为产生的热负荷可以直接从电极8和电极13转移至冷却元件2和3而无需在半导体元件和冷却元件之间布置电绝缘材料层，所以还取得了高效冷却。图4示出了半导体器件的第二实施例。图4中所示的半导体器件非常类似前面的图中示出的半导体器件，因此图4所示的实施例主要通过指出这些实施例之间的区别来加以解释。在图4中第二冷却元件3'设置有允许访问半导体器件内的内部布线11的位置的开口 18。通过这些开口，可以在第一冷却元件2和第二冷却元件3'布置在彼此顶部后实现半导体元件4至导电路径9的使用布线11的电连接。在所示示例中，只在图4的上拐角示出了两个开口 18。然而，开口也可以布置在第二冷却元件3'的其它部分。或者，第一冷却元件2和第二冷却元件3'可以具有不同的尺寸或形状以允许这样访问内部布线11的位置。应当理解的是以上描述和附图仅仅是为了说明本发明。对于本领域的普通技术人员很明显的是可以在不脱离本发明的保护范围的情况下对本发明进行变化和修改。
权利要求
1.一种半导体器件(1)，包括 半导体元件(4);以及 用于冷却所述半导体元件(4)的冷却装置，其特征在于， 所述半导体元件(4)是包括第一电极(8)和第二电极(13)的逆导型半导体开关，所述第一电极(8)和所述第二电极(13)布置在所述半导体元件的相反面上； 所述冷却装置包括第一冷却元件(2)，所述第一冷却元件(2)与所述半导体元件(4)的第一电极(8)相接触以将来自于所述半导体元件(4)的热负荷转移至所述第一冷却元件(2)，所述第一冷却元件⑵由导电材料制成以使所述半导体元件的所述第一电极⑶电连接至外部设备； 所述冷却装置还包括第二冷却元件(3，3')，所述第二冷却元件(3，3')与所述半导体元件⑷的所述第二电极(13)相接触以将来自于所述半导体元件⑷的热负荷转移至所述第二冷却元件(3，3')，所述第二冷却元件(3，3')由导电材料制成以使所述半导体元件⑷的所述第二电极电连接至外部设备；以及 所述半导体器件(I)包括电连接至所述半导体元件(4)的栅极以控制所述半导体元件的状态的接口(12)。
2.根据权利要求I所述的半导体器件，其特征在于， 所述接口(12)包括从所述半导体器件(I)突出的导体；以及 所述接口(12)通过布置在所述第一冷却元件(2)或所述第二冷却元件(3，3')的内表面(5)上的导电路径(9)连接至所述半导体元件的栅极，所述导电路径(9)通过电绝缘材料层(10)与所述内表面(5)分离开。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述接口(12)通过金属化的陶瓷结构或通过包括所述导电路径(9)以及所述电绝缘材料层(10)在内的印刷电路板连接至所述半导体元件(4)的栅极。
4.根据权利要求I所述的半导体器件，其特征在于，所述导电路径(9)中的至少一路电连接至所述第一冷却元件(2)。
5.根据权利要求I所述的半导体器件，其特征在于，所述导电路径(9)中的至少一路电连接至所述第二冷却元件(3，3')。
6.根据权利要求I所述的半导体器件，其特征在于，位于所述第一和第二冷却元件(2，3，3')之间的空间至少部分地填充有电隔离材料(17)。
7.根据权利要求I所述的半导体器件，其特征在于，所述第一电极(8)通过导电材料被键合到所述第一冷却元件(2)，以及所述第二电极(13)通过导电材料被键合到所述第二冷却元件(3,3')。
8.根据权利要求I所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体元件(4)为RC-IGBT或BiGT0
9.根据权利要求I所述的半导体器件，其特征在于，用于容置装配螺钉的孔(16)延伸穿过所述半导体器件。
10.根据权利要求I所述的半导体器件，其特征在于，所述第一和第二冷却元件(2，3，3/ )具有不同的尺寸或形状，或者所述第一或第二冷却元件(2，3，3')中的至少一个设置有用于提供到所述半导体器件内的内部布线(11)的位置的访问的开口(18)。
全文摘要
本发明涉及一种半导体器件(1)。为了获得具有高效冷却的小而简单的半导体器件，第一导电冷却元件(2)与半导体元件(4)的第一电极(8)相接触以转移来自于所述半导体元件(4)的热负荷并使所述半导体元件的第一电极(8)电连接至外部设备。第二导电冷却元件(3)与所述半导体元件(4)的第二电极(13)相接触以转移来自于所述半导体元件(4)的热负荷并使所述半导体元件(4)的第二电极电连接至外部设备。所述半导体器件(1)包括与所述半导体元件(4)的栅极电连接以从外部控制所述半导体元件的状态的接口(12)。
文档编号H01L23/34GK102637653SQ201210026318
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月7日 优先权日2011年2月8日
发明者尼古拉·舒尔茨, 拉斐尔·施内尔, 斯拉沃·基钦, 穆纳福·拉希莫 申请人:Abb研究有限公司