半导体装置的制作方法

发明领域

本发明涉及功率半导体装置，其可以与其它相同设计的功率半导体装置一起堆叠。

发明背景

这种按装式(press-pack)半导体装置可用于高功率转换器应用，例如高电流整流器或中电压驱动中。在这些系统中，可能出现故障情况，其中装置失去其阻断能力且可能在相反方向上经受过度的故障电流。由这种故障电流引起的局部加热可导致装置内的飞弧。电弧的高温(~20000°c)和所得的压力增加可引起对气密密封的按装式外壳的损坏。

如果在弧中释放的能量足够高，则弧等离子体可烧穿外壳的薄金属凸缘，或可使围绕si晶圆的外壳的陶瓷绝缘环破裂。足够快的熔丝可以用来保护半导体装置。而且，在预期的短路电流积分（integral）下将不会破裂的外壳设计可以提供进一步的保护。

为了防止弧等离子体对凸缘和陶瓷环的冲击，并且由此改进按装式半导体装置的不破裂能力，可以在陶瓷环和si晶圆之间的体积中布置由聚合物材料制成的保护环形部分。

de10306767a1涉及一种具有插入在两个电极之间的外壳隔离器的按装式半导体装置。在外壳隔离器内，另外的隔离器围绕半导体元件。

de8909244u1示出具有作为外壳的部分的陶瓷环的按装式半导体装置。在陶瓷环内可以布置特氟隆带。

de3032133c2示出其中布置半导体的具有围绕硅酮的防爆元件的陶瓷的圆柱体元件的按装式半导体装置。

在ep2447988a1中公开了一种半导体装置，其包括：具有相反面的两个电极；夹在所述两个电极之间的半导体晶圆；附接到所述两个电极且围绕所述半导体晶圆的外绝缘环；在所述外绝缘环内且围绕所述半导体晶圆的中间绝缘环，由此所述中间绝缘环由塑料材料制成；以及在所述中间绝缘环内的内绝缘环，由此所述内绝缘环由陶瓷和/或玻璃材料制成。在jph0414474a中示出非常类似的半导体装置。

此外，de19710207a1公开了功率电子元件的众所周知且通用的外壳。

技术实现要素：

有时，由于弧，压力可能由于聚合物材料的烧蚀而在外壳内形成，这也可限制半导体装置的外壳的不破裂能力。

本发明的目的是要增强半导体装置的不破裂能力。

这个目的通过独立权利要求的主题来实现。另外的示范性实施例根据从属权利要求和以下描述是显而易见的。

本发明涉及一种半导体模块或半导体装置，其可以是适用于切换大于10a和/或1.000v的电流的功率半导体模块/装置。

根据本发明的实施例，所述半导体装置包括：具有相反面的两个电极；夹在所述两个电极之间的半导体晶圆；附接到所述两个电极且围绕所述半导体晶圆的外绝缘环；在所述外绝缘环内且围绕所述半导体晶圆的中间绝缘环，其中所述中间绝缘环由塑料材料制成；以及在所述中间绝缘环内的内绝缘环，其中所述内绝缘环由陶瓷或玻璃材料制成。而且，所述内绝缘环可以围绕半导体晶圆。此外，中间绝缘环或内绝缘环具有榫舌（tongue），且其另一个具有凹槽，使得榫舌适合于凹槽以用于它们的旋转对准。特别是在该情况下，当来自半导体晶圆的栅极导线（wire）必须被引导通过内绝缘环和中间绝缘环时，用于栅极导线的对应的开口可以通过中间绝缘环的突出部或榫舌对准，其适合于内绝缘环中的对应的开口或凹槽(反之亦然)。此外，中间绝缘环和内绝缘环具有用于接收半导体装置的栅极连接(例如导线)的径向开口。该开口可以是基本上在径向方向上延伸的通孔和/或凹槽。

电极和外绝缘环可以形成半导体装置的外部(按装式)外壳，其可以气密密封半导体晶圆。在这个外壳内，布置不同绝缘材料的两个另外的保护环：塑料材料的中间绝缘环和陶瓷或玻璃材料的内绝缘环。这两个环可以作为一个构件或作为两个构件提供。内部陶瓷绝缘环可以保护中间塑料绝缘环不受形成电弧影响，和/或与单独的塑料绝缘环相比可以实现高得多的不破裂情况的(case-non-rupture)电流。

在高电流试验中发现，用于按装式外壳的弧保护解决方案的主要限制在于以下事实：由弧等离子体对聚合物保护环的烧蚀可能引起显著的压力形成(10巴或更高)。这种压力形成可例如通过引起外壳的部分之间的焊接破裂来限制外壳的不破裂能力。为了获得更高的不破裂能力，由塑料材料制成的用于弧保护的绝缘环(其在其机械性质，电绝缘和/或成本和可制造性方面可能是有利的)与耐高温材料例如陶瓷或玻璃结合，所述耐高温材料将减少弧烧蚀和所得的压力形成，且也减小压力波对塑料绝缘环的直接冲击。

中间绝缘环可以由塑料材料制成和/或可以具有与内绝缘环一样的更低的热稳定性。然而，即使内绝缘环由于暴露于弧等离子体而破裂，其也可以更柔性的和/或可以为内绝缘环提供结构稳定性。

内绝缘环可以由耐高温陶瓷或玻璃材料制成和/或可以经受住直接暴露于弧等离子体而没有过多的压力形成。然而，内绝缘环可以比中间绝缘环更刚性。在电弧的情况下，内绝缘环的固体陶瓷部分可以提供塑料绝缘环的更好屏蔽。

内绝缘环可以由陶瓷材料例如al2o3，si3n4，可加工的玻璃陶瓷材料和/或玻璃材料制成。

例如，外绝缘环，中间绝缘环和/或内绝缘环可以具有圆形形状和/或相对于彼此可以是同心的。然而，这些环也可以具有其它形式。

根据本发明的实施例，中间绝缘环和内绝缘环是彼此嵌套的两个不同的构件。例如，可以提供具有几乎相同设计的两种半导体装置。具有更低弧保护的装置可能只包含中间绝缘环，而在将内绝缘环放入中间绝缘环中时具有高弧保护的装置可以具有相同的设计。

根据本发明的实施例，内绝缘环涂覆在中间绝缘环上。也可以有可能的是将中间绝缘环和内绝缘环作为一个构件提供。中间绝缘环可以至少部分地涂覆有陶瓷和/或玻璃材料。

在这种情况下，当提供具有更低和/或更高弧保护的两个几乎相同设计的装置时，即使部分计数可以保持相同，因此不需要附加的组装步骤。在一种情况下可以提供未涂覆的绝缘环，且在另一种情况下可以提供涂覆的绝缘环。

例如，聚合物绝缘环可以至少部分地涂覆有可以通过等离子体喷射制备的陶瓷材料例如tio2和/或al2o3。

根据本发明的实施例，外绝缘环由陶瓷材料制成，所述陶瓷材料可以是与内绝缘环的材料相同或不同的材料。

根据本发明的实施例，中间绝缘环由聚合物材料制成。这类材料的示例是ptfe，ppa，pei和/或硅酮。

根据本发明的实施例，中间绝缘环包括插入到电极中的一个的环形凹槽中的轴向延伸的缘边（rim）。外绝缘环可以焊接到电极，而中间环和内环可以仅与外壳的其它部分粘在一起。

根据本发明的实施例，中间绝缘环包括向半导体晶圆突出的环形突出部，其中内绝缘环放置在环形突出部上。例如，中间环可以具有基本上l形横截面。内绝缘环的另一端(与接触于突出部的端相反)可以与电极接触，电极可以粘在中间绝缘环中。以这种方式，弧可以不到达中间绝缘环。

根据本发明的实施例，中间绝缘环包括容纳在电极中的一个和在内绝缘环内的围绕半导体晶圆的橡胶环之间的径向延伸的缘边。橡胶环可以保护不与电极直接接触的晶圆表面。

根据本发明的实施例，橡胶环容纳在中间绝缘环的环形突出部和半导体晶圆之间。这可以是内绝缘环放置在其上的突出部。

根据本发明的实施例，每个电极包括外绝缘环附接到的径向延伸的凸缘。每个电极可以包括巨大的圆形体，其在每侧上具有环形凸缘，其用于附接外绝缘环。

根据本发明的实施例，电极由铜制成。然而，其它材料例如铝也可以用于电极。

根据本发明的实施例，半导体装置进一步包括在电极中的至少一个和半导体晶圆之间的钼层。半导体晶圆可以基于硅(si)。在这种情况下，钼层可以考虑（accountof）si和铜电极的不同的热膨胀系数。

根据本发明的实施例，晶圆包括半导体开关，所述半导体开关可以是晶闸管，晶体管和/或二极管。半导体装置可以容纳任何种类的高功率开关。

根据下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将是显而易见的，并参考下文描述的实施例来阐明本发明的这些和其它方面。

附图说明

在下文中将参考附图中图示的示范性实施例更详细地解释本发明的主题。

图1示出根据本发明的实施例的半导体装置的横截面的透视图。

图2示出根据本发明的实施例的半导体装置的构件的横截面的透视图。

图3示出根据本发明的实施例的用于半导体装置的内环的部分。

图4示出根据本发明的实施例的用于半导体装置的中间和内环的部分横截面。

在附图中使用的参考符号及其含义在参考符号列表中以概括形式列出。原则上，同一的部分在附图中提供有相同的参考符号。

具体实施方式

图1示出半导体装置10，其包括具有相反平行面14的两个铜电极12a，12b和夹在两个电极12a，12b之间的硅晶圆16。另外，钼层18可以插入在下电极12b和晶圆16和/或上电极12a和晶圆16之间。包含半导体开关20例如晶闸管的硅晶圆16可以夹紧在电极12和可选的缓冲层18之间。

作为自由浮动设计的备选方案，晶圆16可以例如通过使用低温结合过程来结合到底部电极12b上的厚的钼支撑层。这在半导体装置10的冷却方面可能具有优势。

半导体装置10可以与其它相同设计的半导体装置10一起堆叠，且电极12a，12b的面14在这种情况下可以起接触极片的作用。

电极12a，12b包括薄的柔性凸缘22(其也可以由铜制成)，其从电极12a，12b在径向方向上延伸和/或其以环的形式围绕接触面14。

附接到凸缘22的陶瓷的外绝缘环24(其可以具有中空圆柱体的形式且可以进一步包括鳍结构以确保上电极12a和下电极12b之间的必要的间隙和/或爬电距离，其可以在不同的电位上)围绕半导体装置10的内组件，例如晶圆16，钼层18和电极12a，12b的内部部分。

外绝缘环24形成半导体装置10的按装式外壳26的侧壁。外壳26此外包括两个电极12a，12b，所述两个电极12a，12b例如可以焊接到外环24，从而产生气密密封的外壳26。

在可控开关20的情况下，可以将采取导线形式的栅极连接28从晶圆18的中心引导出侧壁，即引导出外绝缘环24。在这种情况下，外绝缘环24可以具有用于栅极连接28的开口30和/或上电极12a可以由两部分32组装，其当堆叠在一起时形成用于接收栅极连接28的通过电极12a的通道。

上电极12a和/或上钼层18可以具有中央开口34，在中央开口34中接收弹簧元件36，弹簧元件36用于将栅极连接28按压到晶圆16上。

上电极12a可以不完全覆盖晶圆16的其侧，且围绕电极12a的内部部分的橡胶环38可以覆盖晶圆16的缘边和晶圆16的侧。

为了更好的弧保护，半导体装置10包括塑料材料的中间绝缘环40和陶瓷或玻璃材料的内绝缘环42。中间绝缘环40可以与内绝缘环42一样是更温度敏感的，而中间绝缘环40可以与内绝缘环42一样是更机械上柔性的。例如，中间绝缘环可以由ptfe形成，且内绝缘环42可以由耐高温陶瓷材料形成。

绝缘环24，40，42可以是同心的。内绝缘环42可以如同中空圆柱体地形成，即可以具有圆柱体内面和外面。

中间绝缘环40可以具有基本上l形横截面(也参见图2和4)。中间绝缘环40可具有轴向对准的壁44和径向向内突出的突出部46。内环40可以放置在该突出部46上。

缘边48从壁44轴向延伸且被粘到围绕上电极12a的凹槽50中。另外的缘边52从突出部46径向向内延伸且被粘在橡胶环38和下电极12b之间。

中间绝缘环40和内绝缘环42可具有用于引导通过栅极连接28的开口54。如在图3中所示，该开口54可以作为内绝缘环42中的凹槽提供。

在图1中，两个绝缘环40，42是彼此嵌套的两个构件。

图2示出内绝缘环42可以涂覆在中间绝缘环40上。该涂层可以在壁44的内侧以及突出部46和/或缘边52上提供。

图4示出为了对准内绝缘环42和中间绝缘环40的开口54，环40，42可以具有榫舌结构和凹槽结构。例如，绝缘环40可以具有适合于环42的凹槽58的榫舌56。

虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，这样的说明和描述被认为是说明性的或示范性的而不是限制性的;本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图，公开和所附权利要求，实施所要求保护的发明和本领域中熟练的技术人员能够理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，单词“包括”不排除其它元素或步骤，且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。

参考符号列表

10半导体装置

12a上电极

12b下电极

14电极的面

16晶圆

18钼层

20半导体开关

22电极凸缘

24外绝缘环

26外壳

28栅极连接

30开口

32上电极的部分

34开口

36弹簧元件

38橡胶环

40中间绝缘环

42内绝缘环

44中间绝缘环的壁

46突出部

48缘边

50凹槽

52缘边

54开口

56榫舌

58凹槽