电子功率器件和制作电子功率器件的方法
电子功率器件和制作电子功率器件的方法
【专利摘要】电子功率器件和制作电子功率器件的方法。电子器件包括功率模块，其包括第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面，其中第一主表面的至少一部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。电子器件包括布置在第一主表面的部分上的第一多孔金属层。
【专利说明】电子功率器件和制作电子功率器件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包含功率模块的电子器件，且特别是涉及电子器件的热耗散的技术。
【背景技术】
[0002]电子器件制造商不断地努力提高他们的产品的性能，同时降低他们的制造成本。在包含功率模块(诸如功率半导体芯片)的电子器件的制造中，显著捐献成本的一个领域是功率模块的封装。电子功率器件的性能取决于由封装提供的热耗散能力。以低代价提供高热耗散和高机械鲁棒性的封装方法在应用的很多领域中是期望的。
[0003]由于这些和其它原因，存在对改进的需要。
【发明内容】
[0004]根据实施例，公开了电子器件。器件包括功率模块，功率模块包括第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面。第一主表面的至少一部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。第一多孔金属层被布置在第一主表面的部分上。
[0005]根据另一实施例，公开了制造电子器件的方法。该方法包括提供包括第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的功率模块。第一主表面被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。该方法还包括在第一主表面上形成第一多孔金属层。
[0006]根据实施例，公开了将电子器件安装到热沉的方法。电子器件包括具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的功率模块。第一主表面被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。第一多孔金属层被布置在第一主表面上。该方法包括将电子器件夹紧到第一热沉。第一多孔金属层被布置在功率模块和热沉之间。施加等于或大于50 N/mm2、特别是等于或大于100 N/mm2的夹紧压力。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]附图被包括以提供对本发明的进一步理解并被合并在本说明书中且构成本说明书的一部分。【专利附图】
【附图说明】实施例，并连同描述一起用来解释实施例的原理。其它实施例和实施例的很多意图的优点将容易被认识到，因为它们通过参考下面的详细描述变得更好地被理解。附图的元件不一定相对于彼此按比例绘制。主要为了清楚和容易理解起见，特征和/或元件相对于彼此以特别的尺寸被图示；作为结果，在实际实现中的相对尺寸可基本上不同于在本文中图示的尺寸。在附图和描述中，相同的参考数字通常用来指代从头到尾的相同的元件。
[0008]图1示意性图示包括功率模块的示例性电子器件的横截面视图。
[0009]图2示意性图示包括功率模块的示例性电子器件的横截面视图。
[0010]图3示意性图示包括具有两个热耗散表面的功率模块的示例性电子器件的横截面视图。
[0011]图4示意性图示包括功率模块的示例性电子器件的横截面视图，电子器件具有横向外部功率端子。
[0012]图5示意性图示包括功率模块的示例性电子器件的横截面视图，电子器件具有两个热耗散表面和横向外部功率端子。
[0013]图6图示半桥电子器件的基本电路图。
[0014]图7示意性图示通过将金属泡沫层附接到电子器件的热耗散表面来制造多孔金属层的示例性方法。
[0015]图8示意性图示通过使用粒子沉积技术来制造多孔金属层的示例性方法。
[0016]图9示意性图示通过烧结附接到电子器件的热耗散表面的金属膏来制造多孔金属层的示例性方法。
[0017]图10是图示金属泡沫的压缩应力对应变的曲线的曲线图。
[0018]图11是通过粒子沉积技术形成的多孔金属层的横截面电子显微图像。
[0019]图12是通过金属泡沫形成的多孔金属层的横截面显微图像。
【具体实施方式】
[0020]在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，且其中通过例证示出可实践本发明的特定实施例。在这个方面中，参考所描述的一个或多个图的方位来使用方向术语，诸如“顶部”、“底部”、“前面”、“后面”、“头部”、“尾部”等。因为实施例的部件可被定位在很多不同的方位中，所以方向术语用于说明的目的，且绝不是限制性的。将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可利用其它实施例且可做出结构或逻辑变化。下面的详细描述因此不应在限制性的意义上被理解，且本发明的范围由所附权利要求限定。
[0021]将理解的是，本文描述的各种示例性实施例的特征可与彼此组合，除非另外具体说明。
[0022]如在本说明书中采用的，术语“耦合”和/或“连接”并不意味着通常意指元件必须直接耦合或连接在一起。介入元件可被提供在“耦合的”或“连接的”元件之间。然而，虽然不限于那个含意，术语“耦合”和/或“连接”也可被理解为可选地公开一个方面，其中元件直接耦合或连接在一起，而没有介入元件被提供在“耦合”或“连接”的元件之间。
[0023]在本文描述了包含功率模块的电子器件。功率模块可包含一个或多个功率半导体芯片。特别是，可涉及具有垂直结构的一个或多个功率半导体芯片，也就是说，功率半导体芯片可以以这样的方式被制作，使得电流可在垂直于功率半导体芯片的主表面的方向上流动。具有垂直结构的功率半导体芯片在其两个主表面上(也就是说在其顶侧和底侧上)具有电极。在各种其它实施例中，可涉及水平功率半导体芯片。
[0024]一个或多个功率半导体芯片可由特定的半导体材料(诸如S1、SiC, SiGe, GaAs,GaN、AlGaN、InGaAs、InAlAs等)制造，且此外可包含不是半导体的无机和/或有机材料。一个或多个功率半导体芯片可具有不同的类型，并可通过不同的技术来制造。
[0025]功率半导体芯片可例如被配置为功率MISFET (金属绝缘体半导体场效应晶体管)、功率MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT (绝缘栅双极晶体管)、JFET (结栅场效应晶体管)、HEMT (高电子迁移率晶体管)、功率双极晶体管或功率二极管(诸如PIN 二极管或肖特基二极管)。举例来说，在垂直器件中，功率MISFET或功率MOSFET或HEMT的源极接触电极和栅极接触电极可位于一个主表面上，而功率MISFET或功率MOSFET或HEMT的漏极接触电极可被布置在其它主表面上。
[0026]此外，本文描述的电子器件可以可选地包括一个或多个逻辑集成电路以控制功率半导体芯片。逻辑集成电路可包括一个或多个驱动器电路以驱动功率半导体芯片。逻辑集成电路可以是微控制器，其包括例如存储器电路、电平移位器等。
[0027]功率模块包括第一主表面，其中第一主表面的至少一部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。第一主表面的这个部分(或整个第一主表面)与功率模块的功率端子绝缘。第一主表面的该部分可本身由绝缘材料(诸如陶瓷)制成。可替换地,第一主表面的该部分可由导电材料(诸如金属)制成。在后一,清况中，第一主表面的该部分的导电材料与功率模块的任何外部功率端子电分离(即，绝缘或断开)。特别是，第一主表面的该部分本身不形成功率模块的电功率端子。
[0028]举例来说,第一主表面的该部分可以是芯片载体的暴露的表面，其上安装一个功率半导体芯片或多个功率半导体芯片。在一个实施例中，芯片载体可以是金属板或薄板，诸如引线框的管芯焊盘。在这种情况下，第一主表面的该部分可由附接到引线框的背侧(即，与安装侧相对的侧面)的绝缘层或由与引线框的背侧分离或绝缘的导电层形成。金属板或薄板(例如引线框)可包括任何金属或金属合金，例如铜或铜合金。
[0029]在其它实施例中，其上安装功率半导体芯片的芯片载体可包括涂有金属层的陶瓷板，诸如金属接合的陶瓷衬底。在这种情况下，第一主表面的该部分可由陶瓷衬底或由涂在金属接合的陶瓷衬底的背侧(即，与安装侧相对的侧面)上的导电层(例如金属层)形成。在后者情况下，导电层通过陶瓷衬底与功率半导体分离或绝缘。举例来说，芯片载体可以是DCB (直接铜接合的)陶瓷衬底。
[0030]一个或多个功率半导体芯片可至少部分地围绕或嵌入至少一个电绝缘材料中。电绝缘材料可形成功率模块的密封主体。密封主体可包括模塑材料或由模塑材料制成。各种技术可用来形成模塑材料(例如压缩模塑、注射模塑、粉料模塑或液体模塑)的密封主体。此夕卜，密封主体可具有一块层的形状，诸如被层压在一个或多个功率半导体芯片和芯片载体的顶部上的一块薄板或箔。密封主体可形成功率模块的周边的部分，即，可至少部分地限定功率模块的形状。举例来说，第一主表面的该部分可由暴露的芯片载体表面形成,而第一主表面的至少一部分或整个其余部分可由密封主体的表面形成。
[0031]形成密封主体的电绝缘材料可包括热固性材料或热塑性材料。可基于环氧树脂来制造热固性材料。热塑性材料可包括聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚-砜(PES)、聚亚苯基-硫醚(PPS)或聚酰胺-酰亚胺(PAI)的组中的一种或多种材料。热塑性材料在模塑或层压期间通过压力和热的施加而熔化，并在冷却和压力释放时(可逆地)变硬。
[0032]形成密封主体的电绝缘材料可包括聚合物材料。电绝缘材料可包括填充或未填充的模塑材料、填充或未填充的热塑性材料、填充或未填充的热固性材料、填充或未填充的层压制品、纤维加强的层压制品、纤维加强的聚合物层压制品和具有填料粒子的纤维加强的聚合层压制品中的至少一个。
[0033]在一些实施例中，电绝缘材料可以是层压制品，诸如聚合物箔或薄板。可施加热和压力一段时间，其适合于将聚合物箔或薄板附接到下层结构的。在层压期间，电绝缘箔或薄板能够流动(即，在塑性状态中)，导致在功率半导体芯片之间的间隔，和/或在芯片载体上的其它拓扑结构填充有电绝缘箔或薄板的聚合物材料。电绝缘箔或薄板可包括任何适当的热塑性或热固性材料或由任何适当的热塑性或热固性材料制成。在一个实施例中，绝缘箔或薄板可包括预浸料坯(对于预浸溃的纤维是短的)或由预浸料坯制成，其例如由纤维毡(例如玻璃或碳纤维)和树脂(例如热固性或热塑性材料)的组合制成。预浸料坯材料在本领域中是已知的，且一般用来制造PCB (印刷电路板)。
[0034]第一多孔金属层被布置在第一主表面的部分上。第一多孔金属层可以是开孔金属泡沫层或由金属粒子组成的层，诸如等离子体沉积粒子层或烧结金属层。多孔金属层在压力下提供塑性可延展性。如果电子器件与第一多孔金属层一起被夹紧到第一热沉，则第一多孔金属层的塑性可延展性使所施加的接触压力均衡，并防止局部压力峰值的出现，所述局部压力峰值否则可出现在整个第一主表面上。分布和吸收压力的这个性质帮助避免功率模块的机械损坏(特别是如果功率模块使用易于机械加载的陶瓷)。它也可允许比其它情况更高的压力的施加。此外，多孔金属层可具有高导热率，且导热率可甚至通过增强接触压力来增加。因此，金属层的多孔性可能对于电子器件的机械和热性质是有益的。
[0035]多种不同类型的电子器件可被设计成使用如本文中描述的用于热耗散的一个或多个多孔金属层，或可通过本文中描述的技术来制造。举例来说，根据本公开的电子器件可构成包含两个或更多的功率半导体芯片(例如M0SFET)的电源和一个或多个逻辑集成电路。例如，本文中公开的电子器件可包括半桥电路，其包括高侧晶体管、低侧晶体管和逻辑集成电路芯片。逻辑集成电路芯片可以可选地包括一个或多个晶体管驱动器电路。
[0036]如本文中公开的半桥电路可在用于将DC或AC电压转换成DC电压的分别是所谓的DC-DC转换器和AC-DC转换器的电路中实现。DC-DC转换器可用来将电池或可再充电电池所提供的DC输入电压转换成与在下游连接的电路的要求匹配的DC输出电压。举例来说，本文中描述的DC-DC转换器可以是降压转换器或降频转换器。AC-DC转换器可用来将由例如高压AC电网提供的AC输入电压转换成与在下游连接的电路的要求匹配的DC输出电压。
[0037]图1图示示例性电子器件100的横截面视图。电子器件100可包括具有第一主表面IlOa和与第一主表面IlOa相对的第二主表面IlOb的功率模块110。第一主表面IlOa的至少一部分120a被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。此外，电子器件100包括布置在第一主表面IlOa的部分120a上的第一多孔金属层170。
[0038]功率模块110可包括芯片载体120和安装在芯片载体120的上表面120b上的功率半导体芯片130。举例来说，芯片载体120的上表面120b可以是金属的，且由例如AuSn、AgSn> CuSn> Agin、Auln、AuGe> Culn、AuSi> Sn或Au制成的接合层(未示出)可用来将功率半导体芯片130安装到芯片载体120的上表面120b。扩散焊接接合、软焊接合、硬焊接合、烧结金属接合和/或导电粘合剂接合可用来形成接合层。
[0039]功率半导体芯片130可具有任何类型，诸如GaN_HEMT、Si或SiC功率MOSFET或功率二极管。功率半导体芯片130可在操作期间具有热损耗，诸如在I W和10 W之间的范围内或甚至更大的热功率损耗(热耗散)。在操作期间在半导体功率芯片130中生成的热功率必须被消耗，以便避免功率半导体芯片130的过热、退化或击穿。功率半导体芯片130可被配置成在大于50V、100V、300V、500V或1000V的电压下操作。功率半导体芯片130可具有等于或小于 300 Mm、200 MmUOO Mm、80 Mm 或 50 Mm 的厚度 Tc。
[0040]功率半导体芯片130的负载功率电极131可被接合到芯片载体120。在这种情况下，芯片载体120可用作功率导体和/或功率模块110的外部功率端子。在其它情况下，例如，如果使用水平功率半导体芯片130，则参考数字131可简单地表示用于将功率半导体芯片130固定到芯片载体120的功率半导体芯片130的背侧金属化，但没有传导电功能的功率电流。
[0041]芯片载体120的下表面可在功率模块110的第一主表面IlOa处被暴露。芯片载体120的下表面可限定第一主表面IlOa的部分120a，其被配置为热耗散表面，且其上施加多孔金属层170。多孔金属层170可被配置成覆盖芯片载体120的整个下表面或其一部分。多孔金属层170也可被配置成横向延伸出芯片载体120的下表面,见例如图1。
[0042]功率半导体芯片130和芯片载体120可被密封在电绝缘材料(诸如模塑材料)中，从而形成密封主体140。密封主体140可至少部分地限定功率模块110的周边。举例来说，第一主表面IlOa的部分120a可包括暴露的下芯片载体表面,而功率模块110的第一主表面IlOa的剩余部分可由密封主体140形成。多孔金属层170可被配置成也部分地或全部覆盖可由密封主体140形成的功率模块110的第一主表面IlOa的剩余部分。
[0043]芯片载体120可以具有各种类型。举例来说，如图1所示，芯片载体120可以是上金属层121和绝缘层122。绝缘层122可以是陶瓷层。具有陶瓷层和至少上(或下)金属层121的芯片载体120在本文中也被称为金属接合的陶瓷衬底。第一主表面的部分120a可由金属接合的陶瓷衬底(“暴露的金属接合的陶瓷衬底”)形成。
[0044]在其它实施例中，芯片载体120可包括引线框。在引线框不用作功率电流导体和/或用作功率模块110的外部电功率端子的情况下，第一主表面的部分120a可由金属引线框(“暴露的引线框”)的背侧形成。第一主表面的部分120a也可由附接到引线框的背侧的绝缘层形成。绝缘层可以是陶瓷层，诸如氮化硼层或氧化钙层。在这种情况下，引线框可用作功率电流导体和/或电子器件100的外部电功率端子，且到第一多孔金属层170的电绝缘由绝缘层得到。
[0045]如在本领域中已知的，功率模块110的最大负载、性能和寿命关键取决于包含在功率模块110中的功率半导体芯片130的操作温度。由于那个原因，在操作期间有效地移除或耗散在功率半导体芯片130中生成的热是重要的。
[0046]第一多孔金属层170被配置成被夹紧到热沉(在图1中未示出)。当夹紧到热沉时，第一多孔金属层170将在功率半导体芯片130中生成的热传导到热沉。热沉可以是水冷却的或空气冷却的。换句话说，第一多孔金属层170用作热桥以使功率模块110冷却下来到适于适当的操作、热鲁棒性和寿命持久性的温度。第一多孔金属层170可以不接触到功率模块110的外部电功率端子，和/或可以不形成电子器件100的外部电功率端子。
[0047]举例来说，如图1所示，功率模块110可具有在5-15 mm之间且更具体地在7_13_之间的范围内的横向尺寸或宽度W。功率模块110可具有在例如0.5-5 mm之间，更特别地在1-2 mm之间的范围内的垂直尺寸或高度H。芯片载体120可具有大于W的60%、70%、80%、90%的横向延伸Wc。芯片载体120可具有在0.1-1.0 mm之间且特别是在0.15-0.3 mm之间的范围内的垂直尺寸He。第一多孔金属层170可具有在20-200 Mm之间，更特别地在20-100 Mm之间，又更特别地在30-60 Mm之间的厚度T。
[0048]第一多孔金属层170可包括选自由Cu、Al、Ag、N1、Mo及其合金组成的组的金属。
[0049]第一多孔金属层170可包括在20-90%之间且更特别地在25_50%之间的孔隙率。孔隙率是孔的体积相对于金属层的总体积。
[0050]第一多孔金属层170可包括等于或大于10 W/(mK)且特别是等于或大于15 W/(mK)或20 W/(mK)的导热率。在压力下，即，如果被夹紧到热沉，则(变形的)多孔金属层的导热率可等于或大于20、30、40或50 W/(mK)。
[0051]结合图1的描述可应用于本文中描述的电子器件的所有实施例。特别是，上面陈述的数量可应用于所有其它实施例。此外，如上所述的第一多孔金属层170的性质也应用于将在下面进一步描述的第二多孔金属层。
[0052]图2图示具有与电子器件100相同的配置的电子器件200。然而在电子器件200的功率模块210中，芯片载体120由芯片载体220代替。芯片载体220可包括芯片载体的上金属层121和绝缘层122和此外下金属层221。举例来说，芯片载体220可以是直接金属接合的陶瓷衬底，例如DCB (直接铜接合的)陶瓷衬底。
[0053]芯片载体220的下金属层221可被暴露在功率模块110的第一主表面IlOa处,并可限定第一主表面IlOa的部分120a，所述第一主表面IlOa被配置为热耗散表面且在所述第一主表面IlOa上施加多孔金属层170。
[0054]如在图1和2中例示的，如本文中描述的功率模块110、210可共同具有在功率半导体芯片130和第一多孔金属层170之间延伸的绝缘层(诸如绝缘层122或附接到引线框的绝缘层，如上面解释的)。这个绝缘层(例如陶瓷层)可用来使第一多孔金属层170与芯片载体120的上(芯片安装)表面120b电绝缘。这个绝缘层可具有大于100 V,500 VU000 V或甚至10 kV的介电强度。在另一方面，在芯片载体120不用作电功率电流导体和/或功率模块110、210的外部功率端子的情况下，这个绝缘层(例如绝缘层122或使引线框绝缘的涂层)可以可选地被省略。举例来说，如果功率半导体芯片130是水平器件，则这个绝缘层不一定是需要的。
[0055]图3图示具有与电子器件100或200相同的配置的电子器件300，其中例外是电子器件300还包括在功率模块310的第二主表面IlOb处暴露的另一芯片载体320和布置在第二主表面IlOb的一部分320a上的第二多孔金属层370,所述第二主表面IlOb被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。因此，功率模块310被夹在附接到相对侧上的功率模块310的第一和第二多孔金属层170、370之间。第二多孔金属层370可具有与第一多孔金属层170相同的结构、组成、性质、尺寸、功能等，且参考本文中的描述以避免重复。特别是，第二多孔金属层370可被配置成部分地或完全覆盖被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面的功率模块310的第二主表面IlOb的一部分，并可被配置成部分地或完全覆盖可由密封主体140形成的功率模块310的第二主表面IlOb的剩余部分。
[0056]芯片载体320可具有与芯片载体120或芯片载体220相同的结构、组成、性质、尺寸、功能等，且参考上面的描述以避免重复。特别是，芯片载体320可包括金属接合的陶瓷衬底或被绝缘层涂覆或未涂覆的引线框，且如上解释的“暴露的芯片载体”概念可用于限定被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面的功率模块310的第二主表面IlOb的部分。
[0057]功率半导体芯片130可以以与上面关于芯片载体120、220描述的相同的方式并使用与上面关于芯片载体120、220描述的相同的接合材料接合到芯片载体320，且参考上面的描述以避免重复。特别是，如果功率半导体芯片130是垂直器件，则功率半导体芯片130的第一负载功率电极131 (例如漏极电极)可被接合到芯片载体120或220，且功率半导体芯片130的第二负载功率电极331 (例如源极电极)可被接合到芯片载体320。
[0058]图4图示具有大部分与电子器件100或200相同的配置的电子器件400。然而，图4图示电耦合到芯片载体120且更具体地耦合到芯片载体120的上金属层121的第一外部功率(或负载)端子480。第一外部功率(或负载)端子480可被定位于功率模块410的横向侧处，所述功率模块410可由密封主体140形成并可与功率模块110、210相同。
[0059]图5图示具有与电子器件300相同的配置的电子器件500。然而，除了第一外部功率(或负载)端子480 (见图4)以外，图5还图示电耦合到芯片载体320或更具体地耦合到芯片载体320的金属层121的第二外部功率(或负载)端子580。第二外部功率(或负载)端子580可被定位于功率模块510的与第一外部功率(或负载)端子480相同的横向侧处。
[0060]此外，功率模块510可包括多个半导体芯片。例如，第二功率半导体芯片530可被布置在功率模块510内。第二功率半导体芯片530可具有与第一功率半导体芯片130相同的类型。此外，第二功率半导体芯片530可以以与第一功率半导体芯片130相同的方式安装到芯片载体220和/或芯片载体320。参考上面的描述以避免重复。
[0061]如已经提到的，本文中描述的电子器件可例如用作半桥。在图6中示出布置在节点NI和N2之间的半桥600的基本电路。半桥600包括串联连接的两个开关SI和S2。举例来说，第一功率半导体芯片130可被实现为高侧开关S2，而第二功率半导体芯片530可被实现为低侧开关SI。然后，节点NI可以是第二功率半导体芯片530的源极电极并连接到第二外部功率端子580，而节点N2可以是第一功率半导体芯片130的漏极电极并连接到第一外部功率端子480。
[0062]施加在节点NI和节点N2之间的电压可等于或大于30V、50V、100V、300V、500V、100V0特别是，如果电子器件600是例如DC-DC转换器，则施加在节点NI和N2之间的电压可以在30-150V的范围内。此外，如果电子器件600是例如AC-DC转换器，则施加在节点NI和N2之间的电压可以在300-1000V的范围内。
[0063]图5还图不将压力P施加到第一多孔金属层170的第一热沉591和将压力P施加到第二多孔金属层370的第二热沉592。压力P被施加以通过得到在热沉到多孔金属层界面处的全区域接触来得到在该界面之上的有效热传递。为此目的，功率电子器件500被夹紧到第一热沉591,由此,第一多孔金属层170被布置在功率模块310和第一热沉501之间，且可施加等于或大于50 N/mm2，特别地等于或大于100 N/mm2的夹紧压力P。类似地，第二热沉592可在第二多孔金属层370上加压相同的夹紧压力。
[0064]由于它们的内在孔隙率，第一多孔金属层170和/或第二多孔金属层370适于充当机械垫以有效地平衡和吸收接触压力峰值。那种方式，第一和第二多孔金属层170、370显著地将机械鲁棒性添加到电子器件100-500。此外，第一和/或第二多孔金属层170、370的导热率可为大约10 W/(mK)或更高，其可大于常规热沉膏的导热率。
[0065]将第一或第二多孔金属层170、370的孔隙率减小到等于或小于50%、40%、30%、25%、20%增加了其导热率。举例来说，具有大约20%的孔隙率的铜的金属泡沫型多孔金属层170、370具有大于50 W/(mK)的导热率。
[0066]本文中描述的多孔金属层170、370可具有各种类型。一个可能性是金属泡沫型的多孔金属层170、370。金属泡沫层具有由类似大小的气泡的阵列形成的实心柱的三维互连网络组成的多孔开孔泡沫结构。举例来说，Duocel?是常规金属泡沫。图12是多孔金属泡沫层130、370的横截面显微图像。
[0067]当将功率模块100-500夹紧在多孔金属层170、370处时，多孔金属层170、370可弹性地和/或塑性地变形以吸收压力。图10是图示例如Al金属泡沫的金属泡沫的压缩应力σ对应变ε的曲线的曲线图。存在初始线性区，其中材料遵循σ = Ε.ε，其中E指的是用于压缩的杨氏模量。泡沫的E模量可以低至大约0.7 GPa0在大约5-10 MPa处，根据金属泡沫的密度，塑料变形开始。通过压缩变形，增加了金属泡沫层170、370的导热率。此夕卜，金属泡沫允许拉平在由多孔金属层170、370覆盖的主表面的区域中的所有表面不规则性或不均匀性。
[0068]参考图7，多孔金属层170、370可被配置为预先制作的箔。特别是，金属泡沫层可被提供为箔的形式。箔然后被固定到功率模块的对应主表面110a、110b。可通过层压、胶合或焊接来执行固定。
[0069]如本文中考虑的另外的类型的多孔金属层170、370是金属粒子层。图11是通过粒子沉积技术形成的多孔金属层170、370的横截面电子显微图像。在该示例中，多孔金属层170、370可具有例如在97.2和119 Mm之间的厚度。平均粒子大小在图11中为大约几微米，并可通常在从例如I Mm到20 Mm的范围内，更特别地在从2 Mm到8 Mm的范围内。孔隙率在图11中为大约50%，并可通常在如上指定的范围内。
[0070]如可从图11看到的，在显微镜比例上，多孔金属层170、370可能是稍微不均匀的。特别是，在10微米数量级上的几个较大的孔隙是可见的。然而，从显微镜的视点，孔或多或少均匀地被分布遍及金属层170、370。所述均匀分布可改进金属层170、370的弹性，并可减小机械张力。在任何情况下，层的总机械性质由多孔结构显著地改变。
[0071]形成金属层170、370的金属粒子可被稳固地接合，并可形成大规模邻接区域。因此，这样的多孔金属层170的热性质可与相同尺寸和材料的实心金属层的热性质几乎一样好。
[0072]图8是在通过使用金属粒子沉积技术施加(第一)多孔金属层170期间的示例性功率模块100的横截面视图。分配器单元800可用于将金属粒子分配在第一主表面IlOa或第二主表面IlOb之上。分配器单元800可在功率模块100之上横向移动，或功率模块100可被定位于可移动滑块上，以在分配器单元800之下横向移动它。可能需要若干次扫描来形成期望厚度的多孔金属层170。
[0073]分配器单元800可包括等离子体分配器。等离子体分配器可分配冷工作等离子体的射流，其还可包括以粉末形式的金属粒子。工作等离子体可包括空气或氮气或氩气或另一合适的气体。等离子体还可包括添加剂，诸如氢气和/或氧气。粒子可具有在从I Mffl到20 Mm的范围内且更特别地在从2 Mm到8 Mm的范围内的大小,并可连续地被馈送到等离子体射流。通过等离子体射流，金属粒子可被转移到被配置为热耗散表面的第一主表面IlOa(或第二主表面IlOb)的部分120a，且它们可粘附到这个部分120a以形成多孔金属层170(或多孔金属层370)。如上面提到的，这个部分120a可包括暴露的芯片载体，诸如暴露的引线框或暴露的金属接合的陶瓷衬底。与其它技术(诸如等离子体喷涂或冷气体喷涂)比较，由冷工作等离子体的等离子体射流转移的金属粒子可展示较低的速度。孔隙率可通过所采用的温度和/或在粒子的冷等离子体辅助沉积期间的压力来可调谐。
[0074]在另一实施例中，可使用其它合适的粒子沉积技术(像例如射流分配或火焰喷涂)来制作多孔金属层170。
[0075]使用粒子的冷等离子体辅助沉积来制作多孔金属层可能不要求合金添加(像例如AuSn, SnAg或CuSn或焊剂熔化剂的添加)，其在使用用于制作这样的金属层的其它方法时可能是必要的，但可能使金属层的热或机械性质退化。此外，粒子的冷等离子体辅助沉积不使得使用需要以后被清除的有机物质是必需的。
[0076]使用微粒的冷等离子体辅助沉积来制作金属层不要求在电子元件和金属层之间应用互连引线。互连引线可能使互连的热性质退化并可只展示小功率周期稳定性。
[0077]制作由金属粒子制成的多孔金属层170、370的另一方法是低温烧结。这种方法包括将金属膏施加在第一主表面IlOa (或第二主表面IlOb)上,并执行金属膏的低温烧结。
[0078]更具体地，参考图9，膏层970可在被配置为热耗散表面的第一主表面IlOa的部分120a之上形成。可通过施加包含分布在聚合物材料中的金属粒子的膏来形成膏层。举例来说，可使用包含银粒子的膏。膏可以是液态的、粘性的或像蜡的。聚合物材料可以是树月旨，诸如b阶树脂、α -松油醇等。聚合物材料可以是未填充的，即，没有填料粒子可被包括在聚合物材料内。金属粒子的大小(平均直径)可在上面提到的范围内。
[0079]可通过印刷技术(诸如模板印刷、丝网印刷、喷墨印刷等)来执行包含分散在液态的、粘性的或像蜡的聚合物中的(例如不同的)金属粒子的膏层970的施加。用于施加膏的其它技术(诸如箔剥离技术或分配技术)也是可行的。所有这些技术同样允许在第一主表面IlOa的部分120a上(或第二主表面IlOb的对应部分上)的可控数量的膏材料的施加。
[0080]膏层970的厚度可基本上是均匀的。否则，拉平技术可被应用，以便提供均匀的(恒定的)膏层970的厚度。
[0081]膏层可然后被加热到例如150-250°C的低温烧结温度Ts，以便烧结金属粒子。力口热膏层970可在烤炉980中执行。烧结使膏层970获得高导热率和高级机械性质。热的施加也可在对多孔金属层170、370进行烧结时使聚合物材料从膏层970蒸发。如在烧结领域中已知的，聚合物材料可充当有机烧尽材料，其对多孔金属层170、370的结构(例如孔隙率、平均孔体积、孔密度)可能有影响。多孔金属层170、370可因此由烧结的金属粒子和在烧结的金属粒子之间的空间中形成的孔隙组成。
[0082]在热的施加期间可以可选地施加外部压力。即使外部压力被施加，多孔金属层170,370的粒状粒子型结构也被维持。然而，压力的施加可增加密度和/或减小多孔金属层170,370的孔隙率。
[0083]不考虑多孔金属层170、370的类型(例如粒子型或泡沫型)和形成的方法，多孔金属层170、370可此外填充有增加多孔金属层170、370的导热率的材料。举例来说，热沉膏可用作填料材料。热沉膏可以是液态的或像蜡的，并可通过将多孔金属层170、370分配、喷涂、浸没在液体等中来进行施加。热沉膏可以是基于金属的(包含银或铝粉沫)、基于陶瓷的(包含二氧化硅、氧化锌、氧化铝、氮化铝、氧化铍)或基于碳的。也可能使用压力，以便迫使热沉膏进入多孔金属层170、370的孔中。此外，多孔金属层170、370 (例如粒子型或泡沫型)可以通过电流沉积(电流填充)(部分地)填充有金属，诸如Cu、Al、Ag、N1、Mo及其合金，以便增加导热率。可在将多孔层170、370施加到功率模块之后执行电流沉积。
[0084]此外，多孔金属层170、370可通过使用单独的层载体或例如在金属泡沫的情况下与功率模块100-500分开地被制造，而不使用任何层载体。多孔金属层170、370可然后与功率模块分开地被传送到消费者。消费者可接着在将功率模块100-500夹紧到一个或多个热沉之前将这些多孔金属层170、370作为垫子施加到功率模块100-500。
[0085]虽然在本文中图示和描述了特定的实施例，本领域中的普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，多种替换的和/或等同实现可代替所示和所述的特定实施例。本申请意在涵盖本文中讨论的特定实施例的任何改编或变化。因此，意图是本发明只被权利要求及其等同形式限制。
【权利要求】
1.一种电子器件，包括: 功率模块，其包括第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，其中所述第一主表面的至少一部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面；以及第一多孔金属层，其被布置在所述第一主表面的所述部分上。
2.权利要求1所述的电子器件，还包括: 第二多孔金属层，其被布置在所述第二主表面的一部分上，其中所述第二主表面的至少所述部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。
3.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层包括选自由八1、仏、附、10及其合金组成的组的金属。
4.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层包括在从20触到200触的范围内的厚度。
5.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层包括在从20%到90%的范围内的孔隙率。
6.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层包括等于或大于101/0:11()的导热率。
7.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层是开孔金属泡沫层。
8.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层是包括具有在从1触到20触的范围内的平均粒子大小的粒子的粒子层。
9.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层被配置成当所述电子器件与所述第一多孔金属层一起被夹紧到第一热沉时变形。
10.权利要求1所述的电子器件，还包括: 功率半导体芯片；以及 绝缘层，其在所述功率半导体芯片和所述第一多孔金属层之间延伸。
11.权利要求1所述的电子器件，其中所述功率模块还包括: 芯片载体；以及 功率半导体芯片，其被安装在所述芯片载体上，其中所述芯片载体被暴露在所述功率模块的所述第一主表面的所述部分处。
12.权利要求11所述的电子器件，其中所述芯片载体包括金属接合的陶瓷衬底或引线框。
13.权利要求1所述的电子器件，还包括: 被暴露在所述功率模块的所述第一主表面处的第一芯片载体和被暴露在所述功率模块的所述第二主表面处的第二芯片载体。
14.一种制造电子器件的方法，包括: 提供包括第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面的功率模块，其中所述第一主表面被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面；以及在所述第一主表面上形成第一多孔金属层。
15.权利要求14所述的方法，其中形成所述第一多孔金属层包括: 将开孔金属泡沫附接到所述第一主表面。
16.权利要求14所述的方法，其中形成所述第一多孔金属层包括: 通过使用冷等离子体辅助粒子沉积技术来将金属粒子沉积在所述第一主表面上。
17.权利要求14所述的方法，其中形成所述第一多孔金属层包括: 将金属膏施加在所述第一主表面上；以及执行所述金属膏的低温烧结。
18.权利要求14所述的方法，还包括: 将热沉膏引入到所述第一多孔金属层中，和/或通过选自由八1、八8、附、10及其合金组成的组的金属的电流沉积来填充所述第一多孔金属层。
19.一种将电子器件安装到热沉的方法，其中所述电子器件包括具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面的功率模块，其中所述第一主表面被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面，且其中第一多孔金属层被布置在所述第一主表面上，所述方法包括: 将所述电子器件夹紧到第一热沉，由此，所述第一多孔金属层被布置在所述功率模块和所述热沉之间；以及 施加等于或大于50 的夹紧压力。
20.权利要求19所述的方法，还包括: 与所述功率模块分开地预先制作所述多孔金属层；以及 在将所述电子器件夹紧到所述第一热沉之前将所述预先制作的多孔金属层施加到所述第一主表面。
【文档编号】H01L23/373GK104465557SQ201410476583
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】K.侯赛因, J.马勒, I.尼基廷 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司
【专利摘要】电子功率器件和制作电子功率器件的方法。电子器件包括功率模块，其包括第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面，其中第一主表面的至少一部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。电子器件包括布置在第一主表面的部分上的第一多孔金属层。
【专利说明】电子功率器件和制作电子功率器件的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包含功率模块的电子器件，且特别是涉及电子器件的热耗散的技术。
【背景技术】
[0002]电子器件制造商不断地努力提高他们的产品的性能，同时降低他们的制造成本。在包含功率模块(诸如功率半导体芯片)的电子器件的制造中，显著捐献成本的一个领域是功率模块的封装。电子功率器件的性能取决于由封装提供的热耗散能力。以低代价提供高热耗散和高机械鲁棒性的封装方法在应用的很多领域中是期望的。
[0003]由于这些和其它原因，存在对改进的需要。
【发明内容】
[0004]根据实施例，公开了电子器件。器件包括功率模块，功率模块包括第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面。第一主表面的至少一部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。第一多孔金属层被布置在第一主表面的部分上。
[0005]根据另一实施例，公开了制造电子器件的方法。该方法包括提供包括第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的功率模块。第一主表面被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。该方法还包括在第一主表面上形成第一多孔金属层。
[0006]根据实施例，公开了将电子器件安装到热沉的方法。电子器件包括具有第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面的功率模块。第一主表面被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。第一多孔金属层被布置在第一主表面上。该方法包括将电子器件夹紧到第一热沉。第一多孔金属层被布置在功率模块和热沉之间。施加等于或大于50 N/mm2、特别是等于或大于100 N/mm2的夹紧压力。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]附图被包括以提供对本发明的进一步理解并被合并在本说明书中且构成本说明书的一部分。【专利附图】
【附图说明】实施例，并连同描述一起用来解释实施例的原理。其它实施例和实施例的很多意图的优点将容易被认识到，因为它们通过参考下面的详细描述变得更好地被理解。附图的元件不一定相对于彼此按比例绘制。主要为了清楚和容易理解起见，特征和/或元件相对于彼此以特别的尺寸被图示；作为结果，在实际实现中的相对尺寸可基本上不同于在本文中图示的尺寸。在附图和描述中，相同的参考数字通常用来指代从头到尾的相同的元件。
[0008]图1示意性图示包括功率模块的示例性电子器件的横截面视图。
[0009]图2示意性图示包括功率模块的示例性电子器件的横截面视图。
[0010]图3示意性图示包括具有两个热耗散表面的功率模块的示例性电子器件的横截面视图。
[0011]图4示意性图示包括功率模块的示例性电子器件的横截面视图，电子器件具有横向外部功率端子。
[0012]图5示意性图示包括功率模块的示例性电子器件的横截面视图，电子器件具有两个热耗散表面和横向外部功率端子。
[0013]图6图示半桥电子器件的基本电路图。
[0014]图7示意性图示通过将金属泡沫层附接到电子器件的热耗散表面来制造多孔金属层的示例性方法。
[0015]图8示意性图示通过使用粒子沉积技术来制造多孔金属层的示例性方法。
[0016]图9示意性图示通过烧结附接到电子器件的热耗散表面的金属膏来制造多孔金属层的示例性方法。
[0017]图10是图示金属泡沫的压缩应力对应变的曲线的曲线图。
[0018]图11是通过粒子沉积技术形成的多孔金属层的横截面电子显微图像。
[0019]图12是通过金属泡沫形成的多孔金属层的横截面显微图像。
【具体实施方式】
[0020]在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，且其中通过例证示出可实践本发明的特定实施例。在这个方面中，参考所描述的一个或多个图的方位来使用方向术语，诸如“顶部”、“底部”、“前面”、“后面”、“头部”、“尾部”等。因为实施例的部件可被定位在很多不同的方位中，所以方向术语用于说明的目的，且绝不是限制性的。将理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可利用其它实施例且可做出结构或逻辑变化。下面的详细描述因此不应在限制性的意义上被理解，且本发明的范围由所附权利要求限定。
[0021]将理解的是，本文描述的各种示例性实施例的特征可与彼此组合，除非另外具体说明。
[0022]如在本说明书中采用的，术语“耦合”和/或“连接”并不意味着通常意指元件必须直接耦合或连接在一起。介入元件可被提供在“耦合的”或“连接的”元件之间。然而，虽然不限于那个含意，术语“耦合”和/或“连接”也可被理解为可选地公开一个方面，其中元件直接耦合或连接在一起，而没有介入元件被提供在“耦合”或“连接”的元件之间。
[0023]在本文描述了包含功率模块的电子器件。功率模块可包含一个或多个功率半导体芯片。特别是，可涉及具有垂直结构的一个或多个功率半导体芯片，也就是说，功率半导体芯片可以以这样的方式被制作，使得电流可在垂直于功率半导体芯片的主表面的方向上流动。具有垂直结构的功率半导体芯片在其两个主表面上(也就是说在其顶侧和底侧上)具有电极。在各种其它实施例中，可涉及水平功率半导体芯片。
[0024]一个或多个功率半导体芯片可由特定的半导体材料(诸如S1、SiC, SiGe, GaAs,GaN、AlGaN、InGaAs、InAlAs等)制造，且此外可包含不是半导体的无机和/或有机材料。一个或多个功率半导体芯片可具有不同的类型，并可通过不同的技术来制造。
[0025]功率半导体芯片可例如被配置为功率MISFET (金属绝缘体半导体场效应晶体管)、功率MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT (绝缘栅双极晶体管)、JFET (结栅场效应晶体管)、HEMT (高电子迁移率晶体管)、功率双极晶体管或功率二极管(诸如PIN 二极管或肖特基二极管)。举例来说，在垂直器件中，功率MISFET或功率MOSFET或HEMT的源极接触电极和栅极接触电极可位于一个主表面上，而功率MISFET或功率MOSFET或HEMT的漏极接触电极可被布置在其它主表面上。
[0026]此外，本文描述的电子器件可以可选地包括一个或多个逻辑集成电路以控制功率半导体芯片。逻辑集成电路可包括一个或多个驱动器电路以驱动功率半导体芯片。逻辑集成电路可以是微控制器，其包括例如存储器电路、电平移位器等。
[0027]功率模块包括第一主表面，其中第一主表面的至少一部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。第一主表面的这个部分(或整个第一主表面)与功率模块的功率端子绝缘。第一主表面的该部分可本身由绝缘材料(诸如陶瓷)制成。可替换地,第一主表面的该部分可由导电材料(诸如金属)制成。在后一,清况中，第一主表面的该部分的导电材料与功率模块的任何外部功率端子电分离(即，绝缘或断开)。特别是，第一主表面的该部分本身不形成功率模块的电功率端子。
[0028]举例来说,第一主表面的该部分可以是芯片载体的暴露的表面，其上安装一个功率半导体芯片或多个功率半导体芯片。在一个实施例中，芯片载体可以是金属板或薄板，诸如引线框的管芯焊盘。在这种情况下，第一主表面的该部分可由附接到引线框的背侧(即，与安装侧相对的侧面)的绝缘层或由与引线框的背侧分离或绝缘的导电层形成。金属板或薄板(例如引线框)可包括任何金属或金属合金，例如铜或铜合金。
[0029]在其它实施例中，其上安装功率半导体芯片的芯片载体可包括涂有金属层的陶瓷板，诸如金属接合的陶瓷衬底。在这种情况下，第一主表面的该部分可由陶瓷衬底或由涂在金属接合的陶瓷衬底的背侧(即，与安装侧相对的侧面)上的导电层(例如金属层)形成。在后者情况下，导电层通过陶瓷衬底与功率半导体分离或绝缘。举例来说，芯片载体可以是DCB (直接铜接合的)陶瓷衬底。
[0030]一个或多个功率半导体芯片可至少部分地围绕或嵌入至少一个电绝缘材料中。电绝缘材料可形成功率模块的密封主体。密封主体可包括模塑材料或由模塑材料制成。各种技术可用来形成模塑材料(例如压缩模塑、注射模塑、粉料模塑或液体模塑)的密封主体。此夕卜，密封主体可具有一块层的形状，诸如被层压在一个或多个功率半导体芯片和芯片载体的顶部上的一块薄板或箔。密封主体可形成功率模块的周边的部分，即，可至少部分地限定功率模块的形状。举例来说，第一主表面的该部分可由暴露的芯片载体表面形成,而第一主表面的至少一部分或整个其余部分可由密封主体的表面形成。
[0031]形成密封主体的电绝缘材料可包括热固性材料或热塑性材料。可基于环氧树脂来制造热固性材料。热塑性材料可包括聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚-砜(PES)、聚亚苯基-硫醚(PPS)或聚酰胺-酰亚胺(PAI)的组中的一种或多种材料。热塑性材料在模塑或层压期间通过压力和热的施加而熔化，并在冷却和压力释放时(可逆地)变硬。
[0032]形成密封主体的电绝缘材料可包括聚合物材料。电绝缘材料可包括填充或未填充的模塑材料、填充或未填充的热塑性材料、填充或未填充的热固性材料、填充或未填充的层压制品、纤维加强的层压制品、纤维加强的聚合物层压制品和具有填料粒子的纤维加强的聚合层压制品中的至少一个。
[0033]在一些实施例中，电绝缘材料可以是层压制品，诸如聚合物箔或薄板。可施加热和压力一段时间，其适合于将聚合物箔或薄板附接到下层结构的。在层压期间，电绝缘箔或薄板能够流动(即，在塑性状态中)，导致在功率半导体芯片之间的间隔，和/或在芯片载体上的其它拓扑结构填充有电绝缘箔或薄板的聚合物材料。电绝缘箔或薄板可包括任何适当的热塑性或热固性材料或由任何适当的热塑性或热固性材料制成。在一个实施例中，绝缘箔或薄板可包括预浸料坯(对于预浸溃的纤维是短的)或由预浸料坯制成，其例如由纤维毡(例如玻璃或碳纤维)和树脂(例如热固性或热塑性材料)的组合制成。预浸料坯材料在本领域中是已知的，且一般用来制造PCB (印刷电路板)。
[0034]第一多孔金属层被布置在第一主表面的部分上。第一多孔金属层可以是开孔金属泡沫层或由金属粒子组成的层，诸如等离子体沉积粒子层或烧结金属层。多孔金属层在压力下提供塑性可延展性。如果电子器件与第一多孔金属层一起被夹紧到第一热沉，则第一多孔金属层的塑性可延展性使所施加的接触压力均衡，并防止局部压力峰值的出现，所述局部压力峰值否则可出现在整个第一主表面上。分布和吸收压力的这个性质帮助避免功率模块的机械损坏(特别是如果功率模块使用易于机械加载的陶瓷)。它也可允许比其它情况更高的压力的施加。此外，多孔金属层可具有高导热率，且导热率可甚至通过增强接触压力来增加。因此，金属层的多孔性可能对于电子器件的机械和热性质是有益的。
[0035]多种不同类型的电子器件可被设计成使用如本文中描述的用于热耗散的一个或多个多孔金属层，或可通过本文中描述的技术来制造。举例来说，根据本公开的电子器件可构成包含两个或更多的功率半导体芯片(例如M0SFET)的电源和一个或多个逻辑集成电路。例如，本文中公开的电子器件可包括半桥电路，其包括高侧晶体管、低侧晶体管和逻辑集成电路芯片。逻辑集成电路芯片可以可选地包括一个或多个晶体管驱动器电路。
[0036]如本文中公开的半桥电路可在用于将DC或AC电压转换成DC电压的分别是所谓的DC-DC转换器和AC-DC转换器的电路中实现。DC-DC转换器可用来将电池或可再充电电池所提供的DC输入电压转换成与在下游连接的电路的要求匹配的DC输出电压。举例来说，本文中描述的DC-DC转换器可以是降压转换器或降频转换器。AC-DC转换器可用来将由例如高压AC电网提供的AC输入电压转换成与在下游连接的电路的要求匹配的DC输出电压。
[0037]图1图示示例性电子器件100的横截面视图。电子器件100可包括具有第一主表面IlOa和与第一主表面IlOa相对的第二主表面IlOb的功率模块110。第一主表面IlOa的至少一部分120a被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。此外，电子器件100包括布置在第一主表面IlOa的部分120a上的第一多孔金属层170。
[0038]功率模块110可包括芯片载体120和安装在芯片载体120的上表面120b上的功率半导体芯片130。举例来说，芯片载体120的上表面120b可以是金属的，且由例如AuSn、AgSn> CuSn> Agin、Auln、AuGe> Culn、AuSi> Sn或Au制成的接合层(未示出)可用来将功率半导体芯片130安装到芯片载体120的上表面120b。扩散焊接接合、软焊接合、硬焊接合、烧结金属接合和/或导电粘合剂接合可用来形成接合层。
[0039]功率半导体芯片130可具有任何类型，诸如GaN_HEMT、Si或SiC功率MOSFET或功率二极管。功率半导体芯片130可在操作期间具有热损耗，诸如在I W和10 W之间的范围内或甚至更大的热功率损耗(热耗散)。在操作期间在半导体功率芯片130中生成的热功率必须被消耗，以便避免功率半导体芯片130的过热、退化或击穿。功率半导体芯片130可被配置成在大于50V、100V、300V、500V或1000V的电压下操作。功率半导体芯片130可具有等于或小于 300 Mm、200 MmUOO Mm、80 Mm 或 50 Mm 的厚度 Tc。
[0040]功率半导体芯片130的负载功率电极131可被接合到芯片载体120。在这种情况下，芯片载体120可用作功率导体和/或功率模块110的外部功率端子。在其它情况下，例如，如果使用水平功率半导体芯片130，则参考数字131可简单地表示用于将功率半导体芯片130固定到芯片载体120的功率半导体芯片130的背侧金属化，但没有传导电功能的功率电流。
[0041]芯片载体120的下表面可在功率模块110的第一主表面IlOa处被暴露。芯片载体120的下表面可限定第一主表面IlOa的部分120a，其被配置为热耗散表面，且其上施加多孔金属层170。多孔金属层170可被配置成覆盖芯片载体120的整个下表面或其一部分。多孔金属层170也可被配置成横向延伸出芯片载体120的下表面,见例如图1。
[0042]功率半导体芯片130和芯片载体120可被密封在电绝缘材料(诸如模塑材料)中，从而形成密封主体140。密封主体140可至少部分地限定功率模块110的周边。举例来说，第一主表面IlOa的部分120a可包括暴露的下芯片载体表面,而功率模块110的第一主表面IlOa的剩余部分可由密封主体140形成。多孔金属层170可被配置成也部分地或全部覆盖可由密封主体140形成的功率模块110的第一主表面IlOa的剩余部分。
[0043]芯片载体120可以具有各种类型。举例来说，如图1所示，芯片载体120可以是上金属层121和绝缘层122。绝缘层122可以是陶瓷层。具有陶瓷层和至少上(或下)金属层121的芯片载体120在本文中也被称为金属接合的陶瓷衬底。第一主表面的部分120a可由金属接合的陶瓷衬底(“暴露的金属接合的陶瓷衬底”)形成。
[0044]在其它实施例中，芯片载体120可包括引线框。在引线框不用作功率电流导体和/或用作功率模块110的外部电功率端子的情况下，第一主表面的部分120a可由金属引线框(“暴露的引线框”)的背侧形成。第一主表面的部分120a也可由附接到引线框的背侧的绝缘层形成。绝缘层可以是陶瓷层，诸如氮化硼层或氧化钙层。在这种情况下，引线框可用作功率电流导体和/或电子器件100的外部电功率端子，且到第一多孔金属层170的电绝缘由绝缘层得到。
[0045]如在本领域中已知的，功率模块110的最大负载、性能和寿命关键取决于包含在功率模块110中的功率半导体芯片130的操作温度。由于那个原因，在操作期间有效地移除或耗散在功率半导体芯片130中生成的热是重要的。
[0046]第一多孔金属层170被配置成被夹紧到热沉(在图1中未示出)。当夹紧到热沉时，第一多孔金属层170将在功率半导体芯片130中生成的热传导到热沉。热沉可以是水冷却的或空气冷却的。换句话说，第一多孔金属层170用作热桥以使功率模块110冷却下来到适于适当的操作、热鲁棒性和寿命持久性的温度。第一多孔金属层170可以不接触到功率模块110的外部电功率端子，和/或可以不形成电子器件100的外部电功率端子。
[0047]举例来说，如图1所示，功率模块110可具有在5-15 mm之间且更具体地在7_13_之间的范围内的横向尺寸或宽度W。功率模块110可具有在例如0.5-5 mm之间，更特别地在1-2 mm之间的范围内的垂直尺寸或高度H。芯片载体120可具有大于W的60%、70%、80%、90%的横向延伸Wc。芯片载体120可具有在0.1-1.0 mm之间且特别是在0.15-0.3 mm之间的范围内的垂直尺寸He。第一多孔金属层170可具有在20-200 Mm之间，更特别地在20-100 Mm之间，又更特别地在30-60 Mm之间的厚度T。
[0048]第一多孔金属层170可包括选自由Cu、Al、Ag、N1、Mo及其合金组成的组的金属。
[0049]第一多孔金属层170可包括在20-90%之间且更特别地在25_50%之间的孔隙率。孔隙率是孔的体积相对于金属层的总体积。
[0050]第一多孔金属层170可包括等于或大于10 W/(mK)且特别是等于或大于15 W/(mK)或20 W/(mK)的导热率。在压力下，即，如果被夹紧到热沉，则(变形的)多孔金属层的导热率可等于或大于20、30、40或50 W/(mK)。
[0051]结合图1的描述可应用于本文中描述的电子器件的所有实施例。特别是，上面陈述的数量可应用于所有其它实施例。此外，如上所述的第一多孔金属层170的性质也应用于将在下面进一步描述的第二多孔金属层。
[0052]图2图示具有与电子器件100相同的配置的电子器件200。然而在电子器件200的功率模块210中，芯片载体120由芯片载体220代替。芯片载体220可包括芯片载体的上金属层121和绝缘层122和此外下金属层221。举例来说，芯片载体220可以是直接金属接合的陶瓷衬底，例如DCB (直接铜接合的)陶瓷衬底。
[0053]芯片载体220的下金属层221可被暴露在功率模块110的第一主表面IlOa处,并可限定第一主表面IlOa的部分120a，所述第一主表面IlOa被配置为热耗散表面且在所述第一主表面IlOa上施加多孔金属层170。
[0054]如在图1和2中例示的，如本文中描述的功率模块110、210可共同具有在功率半导体芯片130和第一多孔金属层170之间延伸的绝缘层(诸如绝缘层122或附接到引线框的绝缘层，如上面解释的)。这个绝缘层(例如陶瓷层)可用来使第一多孔金属层170与芯片载体120的上(芯片安装)表面120b电绝缘。这个绝缘层可具有大于100 V,500 VU000 V或甚至10 kV的介电强度。在另一方面，在芯片载体120不用作电功率电流导体和/或功率模块110、210的外部功率端子的情况下，这个绝缘层(例如绝缘层122或使引线框绝缘的涂层)可以可选地被省略。举例来说，如果功率半导体芯片130是水平器件，则这个绝缘层不一定是需要的。
[0055]图3图示具有与电子器件100或200相同的配置的电子器件300，其中例外是电子器件300还包括在功率模块310的第二主表面IlOb处暴露的另一芯片载体320和布置在第二主表面IlOb的一部分320a上的第二多孔金属层370,所述第二主表面IlOb被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。因此，功率模块310被夹在附接到相对侧上的功率模块310的第一和第二多孔金属层170、370之间。第二多孔金属层370可具有与第一多孔金属层170相同的结构、组成、性质、尺寸、功能等，且参考本文中的描述以避免重复。特别是，第二多孔金属层370可被配置成部分地或完全覆盖被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面的功率模块310的第二主表面IlOb的一部分，并可被配置成部分地或完全覆盖可由密封主体140形成的功率模块310的第二主表面IlOb的剩余部分。
[0056]芯片载体320可具有与芯片载体120或芯片载体220相同的结构、组成、性质、尺寸、功能等，且参考上面的描述以避免重复。特别是，芯片载体320可包括金属接合的陶瓷衬底或被绝缘层涂覆或未涂覆的引线框，且如上解释的“暴露的芯片载体”概念可用于限定被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面的功率模块310的第二主表面IlOb的部分。
[0057]功率半导体芯片130可以以与上面关于芯片载体120、220描述的相同的方式并使用与上面关于芯片载体120、220描述的相同的接合材料接合到芯片载体320，且参考上面的描述以避免重复。特别是，如果功率半导体芯片130是垂直器件，则功率半导体芯片130的第一负载功率电极131 (例如漏极电极)可被接合到芯片载体120或220，且功率半导体芯片130的第二负载功率电极331 (例如源极电极)可被接合到芯片载体320。
[0058]图4图示具有大部分与电子器件100或200相同的配置的电子器件400。然而，图4图示电耦合到芯片载体120且更具体地耦合到芯片载体120的上金属层121的第一外部功率(或负载)端子480。第一外部功率(或负载)端子480可被定位于功率模块410的横向侧处，所述功率模块410可由密封主体140形成并可与功率模块110、210相同。
[0059]图5图示具有与电子器件300相同的配置的电子器件500。然而，除了第一外部功率(或负载)端子480 (见图4)以外，图5还图示电耦合到芯片载体320或更具体地耦合到芯片载体320的金属层121的第二外部功率(或负载)端子580。第二外部功率(或负载)端子580可被定位于功率模块510的与第一外部功率(或负载)端子480相同的横向侧处。
[0060]此外，功率模块510可包括多个半导体芯片。例如，第二功率半导体芯片530可被布置在功率模块510内。第二功率半导体芯片530可具有与第一功率半导体芯片130相同的类型。此外，第二功率半导体芯片530可以以与第一功率半导体芯片130相同的方式安装到芯片载体220和/或芯片载体320。参考上面的描述以避免重复。
[0061]如已经提到的，本文中描述的电子器件可例如用作半桥。在图6中示出布置在节点NI和N2之间的半桥600的基本电路。半桥600包括串联连接的两个开关SI和S2。举例来说，第一功率半导体芯片130可被实现为高侧开关S2，而第二功率半导体芯片530可被实现为低侧开关SI。然后，节点NI可以是第二功率半导体芯片530的源极电极并连接到第二外部功率端子580，而节点N2可以是第一功率半导体芯片130的漏极电极并连接到第一外部功率端子480。
[0062]施加在节点NI和节点N2之间的电压可等于或大于30V、50V、100V、300V、500V、100V0特别是，如果电子器件600是例如DC-DC转换器，则施加在节点NI和N2之间的电压可以在30-150V的范围内。此外，如果电子器件600是例如AC-DC转换器，则施加在节点NI和N2之间的电压可以在300-1000V的范围内。
[0063]图5还图不将压力P施加到第一多孔金属层170的第一热沉591和将压力P施加到第二多孔金属层370的第二热沉592。压力P被施加以通过得到在热沉到多孔金属层界面处的全区域接触来得到在该界面之上的有效热传递。为此目的，功率电子器件500被夹紧到第一热沉591,由此,第一多孔金属层170被布置在功率模块310和第一热沉501之间，且可施加等于或大于50 N/mm2，特别地等于或大于100 N/mm2的夹紧压力P。类似地，第二热沉592可在第二多孔金属层370上加压相同的夹紧压力。
[0064]由于它们的内在孔隙率，第一多孔金属层170和/或第二多孔金属层370适于充当机械垫以有效地平衡和吸收接触压力峰值。那种方式，第一和第二多孔金属层170、370显著地将机械鲁棒性添加到电子器件100-500。此外，第一和/或第二多孔金属层170、370的导热率可为大约10 W/(mK)或更高，其可大于常规热沉膏的导热率。
[0065]将第一或第二多孔金属层170、370的孔隙率减小到等于或小于50%、40%、30%、25%、20%增加了其导热率。举例来说，具有大约20%的孔隙率的铜的金属泡沫型多孔金属层170、370具有大于50 W/(mK)的导热率。
[0066]本文中描述的多孔金属层170、370可具有各种类型。一个可能性是金属泡沫型的多孔金属层170、370。金属泡沫层具有由类似大小的气泡的阵列形成的实心柱的三维互连网络组成的多孔开孔泡沫结构。举例来说，Duocel?是常规金属泡沫。图12是多孔金属泡沫层130、370的横截面显微图像。
[0067]当将功率模块100-500夹紧在多孔金属层170、370处时，多孔金属层170、370可弹性地和/或塑性地变形以吸收压力。图10是图示例如Al金属泡沫的金属泡沫的压缩应力σ对应变ε的曲线的曲线图。存在初始线性区，其中材料遵循σ = Ε.ε，其中E指的是用于压缩的杨氏模量。泡沫的E模量可以低至大约0.7 GPa0在大约5-10 MPa处，根据金属泡沫的密度，塑料变形开始。通过压缩变形，增加了金属泡沫层170、370的导热率。此夕卜，金属泡沫允许拉平在由多孔金属层170、370覆盖的主表面的区域中的所有表面不规则性或不均匀性。
[0068]参考图7，多孔金属层170、370可被配置为预先制作的箔。特别是，金属泡沫层可被提供为箔的形式。箔然后被固定到功率模块的对应主表面110a、110b。可通过层压、胶合或焊接来执行固定。
[0069]如本文中考虑的另外的类型的多孔金属层170、370是金属粒子层。图11是通过粒子沉积技术形成的多孔金属层170、370的横截面电子显微图像。在该示例中，多孔金属层170、370可具有例如在97.2和119 Mm之间的厚度。平均粒子大小在图11中为大约几微米，并可通常在从例如I Mm到20 Mm的范围内，更特别地在从2 Mm到8 Mm的范围内。孔隙率在图11中为大约50%，并可通常在如上指定的范围内。
[0070]如可从图11看到的，在显微镜比例上，多孔金属层170、370可能是稍微不均匀的。特别是，在10微米数量级上的几个较大的孔隙是可见的。然而，从显微镜的视点，孔或多或少均匀地被分布遍及金属层170、370。所述均匀分布可改进金属层170、370的弹性，并可减小机械张力。在任何情况下，层的总机械性质由多孔结构显著地改变。
[0071]形成金属层170、370的金属粒子可被稳固地接合，并可形成大规模邻接区域。因此，这样的多孔金属层170的热性质可与相同尺寸和材料的实心金属层的热性质几乎一样好。
[0072]图8是在通过使用金属粒子沉积技术施加(第一)多孔金属层170期间的示例性功率模块100的横截面视图。分配器单元800可用于将金属粒子分配在第一主表面IlOa或第二主表面IlOb之上。分配器单元800可在功率模块100之上横向移动，或功率模块100可被定位于可移动滑块上，以在分配器单元800之下横向移动它。可能需要若干次扫描来形成期望厚度的多孔金属层170。
[0073]分配器单元800可包括等离子体分配器。等离子体分配器可分配冷工作等离子体的射流，其还可包括以粉末形式的金属粒子。工作等离子体可包括空气或氮气或氩气或另一合适的气体。等离子体还可包括添加剂，诸如氢气和/或氧气。粒子可具有在从I Mffl到20 Mm的范围内且更特别地在从2 Mm到8 Mm的范围内的大小,并可连续地被馈送到等离子体射流。通过等离子体射流，金属粒子可被转移到被配置为热耗散表面的第一主表面IlOa(或第二主表面IlOb)的部分120a，且它们可粘附到这个部分120a以形成多孔金属层170(或多孔金属层370)。如上面提到的，这个部分120a可包括暴露的芯片载体，诸如暴露的引线框或暴露的金属接合的陶瓷衬底。与其它技术(诸如等离子体喷涂或冷气体喷涂)比较，由冷工作等离子体的等离子体射流转移的金属粒子可展示较低的速度。孔隙率可通过所采用的温度和/或在粒子的冷等离子体辅助沉积期间的压力来可调谐。
[0074]在另一实施例中，可使用其它合适的粒子沉积技术(像例如射流分配或火焰喷涂)来制作多孔金属层170。
[0075]使用粒子的冷等离子体辅助沉积来制作多孔金属层可能不要求合金添加(像例如AuSn, SnAg或CuSn或焊剂熔化剂的添加)，其在使用用于制作这样的金属层的其它方法时可能是必要的，但可能使金属层的热或机械性质退化。此外，粒子的冷等离子体辅助沉积不使得使用需要以后被清除的有机物质是必需的。
[0076]使用微粒的冷等离子体辅助沉积来制作金属层不要求在电子元件和金属层之间应用互连引线。互连引线可能使互连的热性质退化并可只展示小功率周期稳定性。
[0077]制作由金属粒子制成的多孔金属层170、370的另一方法是低温烧结。这种方法包括将金属膏施加在第一主表面IlOa (或第二主表面IlOb)上,并执行金属膏的低温烧结。
[0078]更具体地，参考图9，膏层970可在被配置为热耗散表面的第一主表面IlOa的部分120a之上形成。可通过施加包含分布在聚合物材料中的金属粒子的膏来形成膏层。举例来说，可使用包含银粒子的膏。膏可以是液态的、粘性的或像蜡的。聚合物材料可以是树月旨，诸如b阶树脂、α -松油醇等。聚合物材料可以是未填充的，即，没有填料粒子可被包括在聚合物材料内。金属粒子的大小(平均直径)可在上面提到的范围内。
[0079]可通过印刷技术(诸如模板印刷、丝网印刷、喷墨印刷等)来执行包含分散在液态的、粘性的或像蜡的聚合物中的(例如不同的)金属粒子的膏层970的施加。用于施加膏的其它技术(诸如箔剥离技术或分配技术)也是可行的。所有这些技术同样允许在第一主表面IlOa的部分120a上(或第二主表面IlOb的对应部分上)的可控数量的膏材料的施加。
[0080]膏层970的厚度可基本上是均匀的。否则，拉平技术可被应用，以便提供均匀的(恒定的)膏层970的厚度。
[0081]膏层可然后被加热到例如150-250°C的低温烧结温度Ts，以便烧结金属粒子。力口热膏层970可在烤炉980中执行。烧结使膏层970获得高导热率和高级机械性质。热的施加也可在对多孔金属层170、370进行烧结时使聚合物材料从膏层970蒸发。如在烧结领域中已知的，聚合物材料可充当有机烧尽材料，其对多孔金属层170、370的结构(例如孔隙率、平均孔体积、孔密度)可能有影响。多孔金属层170、370可因此由烧结的金属粒子和在烧结的金属粒子之间的空间中形成的孔隙组成。
[0082]在热的施加期间可以可选地施加外部压力。即使外部压力被施加，多孔金属层170,370的粒状粒子型结构也被维持。然而，压力的施加可增加密度和/或减小多孔金属层170,370的孔隙率。
[0083]不考虑多孔金属层170、370的类型(例如粒子型或泡沫型)和形成的方法，多孔金属层170、370可此外填充有增加多孔金属层170、370的导热率的材料。举例来说，热沉膏可用作填料材料。热沉膏可以是液态的或像蜡的，并可通过将多孔金属层170、370分配、喷涂、浸没在液体等中来进行施加。热沉膏可以是基于金属的(包含银或铝粉沫)、基于陶瓷的(包含二氧化硅、氧化锌、氧化铝、氮化铝、氧化铍)或基于碳的。也可能使用压力，以便迫使热沉膏进入多孔金属层170、370的孔中。此外，多孔金属层170、370 (例如粒子型或泡沫型)可以通过电流沉积(电流填充)(部分地)填充有金属，诸如Cu、Al、Ag、N1、Mo及其合金，以便增加导热率。可在将多孔层170、370施加到功率模块之后执行电流沉积。
[0084]此外，多孔金属层170、370可通过使用单独的层载体或例如在金属泡沫的情况下与功率模块100-500分开地被制造，而不使用任何层载体。多孔金属层170、370可然后与功率模块分开地被传送到消费者。消费者可接着在将功率模块100-500夹紧到一个或多个热沉之前将这些多孔金属层170、370作为垫子施加到功率模块100-500。
[0085]虽然在本文中图示和描述了特定的实施例，本领域中的普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，多种替换的和/或等同实现可代替所示和所述的特定实施例。本申请意在涵盖本文中讨论的特定实施例的任何改编或变化。因此，意图是本发明只被权利要求及其等同形式限制。
【权利要求】
1.一种电子器件，包括: 功率模块，其包括第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，其中所述第一主表面的至少一部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面；以及第一多孔金属层，其被布置在所述第一主表面的所述部分上。
2.权利要求1所述的电子器件，还包括: 第二多孔金属层，其被布置在所述第二主表面的一部分上，其中所述第二主表面的至少所述部分被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面。
3.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层包括选自由八1、仏、附、10及其合金组成的组的金属。
4.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层包括在从20触到200触的范围内的厚度。
5.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层包括在从20%到90%的范围内的孔隙率。
6.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层包括等于或大于101/0:11()的导热率。
7.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层是开孔金属泡沫层。
8.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层是包括具有在从1触到20触的范围内的平均粒子大小的粒子的粒子层。
9.权利要求1所述的电子器件，其中所述第一多孔金属层被配置成当所述电子器件与所述第一多孔金属层一起被夹紧到第一热沉时变形。
10.权利要求1所述的电子器件，还包括: 功率半导体芯片；以及 绝缘层，其在所述功率半导体芯片和所述第一多孔金属层之间延伸。
11.权利要求1所述的电子器件，其中所述功率模块还包括: 芯片载体；以及 功率半导体芯片，其被安装在所述芯片载体上，其中所述芯片载体被暴露在所述功率模块的所述第一主表面的所述部分处。
12.权利要求11所述的电子器件，其中所述芯片载体包括金属接合的陶瓷衬底或引线框。
13.权利要求1所述的电子器件，还包括: 被暴露在所述功率模块的所述第一主表面处的第一芯片载体和被暴露在所述功率模块的所述第二主表面处的第二芯片载体。
14.一种制造电子器件的方法，包括: 提供包括第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面的功率模块，其中所述第一主表面被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面；以及在所述第一主表面上形成第一多孔金属层。
15.权利要求14所述的方法，其中形成所述第一多孔金属层包括: 将开孔金属泡沫附接到所述第一主表面。
16.权利要求14所述的方法，其中形成所述第一多孔金属层包括: 通过使用冷等离子体辅助粒子沉积技术来将金属粒子沉积在所述第一主表面上。
17.权利要求14所述的方法，其中形成所述第一多孔金属层包括: 将金属膏施加在所述第一主表面上；以及执行所述金属膏的低温烧结。
18.权利要求14所述的方法，还包括: 将热沉膏引入到所述第一多孔金属层中，和/或通过选自由八1、八8、附、10及其合金组成的组的金属的电流沉积来填充所述第一多孔金属层。
19.一种将电子器件安装到热沉的方法，其中所述电子器件包括具有第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面的功率模块，其中所述第一主表面被配置为没有电功率端子功能的热耗散表面，且其中第一多孔金属层被布置在所述第一主表面上，所述方法包括: 将所述电子器件夹紧到第一热沉，由此，所述第一多孔金属层被布置在所述功率模块和所述热沉之间；以及 施加等于或大于50 的夹紧压力。
20.权利要求19所述的方法，还包括: 与所述功率模块分开地预先制作所述多孔金属层；以及 在将所述电子器件夹紧到所述第一热沉之前将所述预先制作的多孔金属层施加到所述第一主表面。
【文档编号】H01L23/373GK104465557SQ201410476583
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】K.侯赛因, J.马勒, I.尼基廷 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司
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