功率半导体模块的制作方法
本发明涉及一种功率半导体模块。特别是，本发明涉及一种功率半导体模块，该半导体模块示出不同的功率半导体装置的限定布置，从而允许功率半导体模块的显著降低的杂散电感并且因此改进的工作行为。
背景技术：
功率半导体模块本身是已知的，并用于广泛的应用范围中。功率半导体装置可以包括功率半导体开关，其可以切换多于10a的电流和/或多于500v的电压。
功率半导体技术中的趋势进入快速切换装置的方向。更短的切换时间能够通过优化硅(si)基装置以及使用基于宽带隙半导体材料例如碳化硅(sic)或氮化镓(gan)的装置获得。然而，功率模块中的电磁寄生效应引起在功率模块中的严重切换扭曲，从而限制最大可达到的切换时间。
关于上文，用于快速切换的半导体的功率电子器件模块因此要求非常低的杂散电感。
作为一般规则，杂散电感由换向单元的物理面积来确定。在2d中，电流路径必须紧接于彼此地放置。换向单元的物理面积则与衬底的占地面积大致成比例。实际上，标准的平面功率模块的杂散电感因此不能容易地减少到低于约5-10nh的值。对于具有约10ns的上升时间的快速切换半导体，该值通常是不可接受的。
在切换期间，换向单元的杂散电感中的电流瞬变现象感应电压。在开关的开启期间，该电压导致较慢的换向和较高的切换损耗。在开关的关闭期间，电压增加到已经应用的dc链路电压，并且感应过电压，从而在开关上发挥（excert）应力并且要求降额。
这在2009年第13届功率电子器件及应用的欧洲会议(epe)论文集（proceeding）中由和f.w.fuchs著的"optimizationofthestrayinductanceinthree-phasemosfetpowermodulesaidedbymeansofpeecsimulation"中描述。根据该文献，描述了供在5至20kw的转换器中用于自动应用的基于紧凑dbc的三相功率模块。根据该文献，提供mosfet芯片的三维叠层，其然而被描述没有采用现今的封装方法来组装。
杂散电感对总切换损耗的影响是复杂的，但作为一般规则，较低的电感也降低了切换损耗。对此，powerelectronicseurope,第7卷,2010中由w.rusche和
换向单元的杂散电感形成具有打开半导体开关的输出电容的谐振电路。在切换期间，这个谐振电路被激发并在频率
ieeetransactionsonpowerelectronics,第21卷,第1176-1184页,2006中由c.martin,j.m.guichon,m.schanen和r.j.pasterczyk著的"gatecircuitlayoutoptimizationofpowermoduleregardingtransientcurrentimbalance"描述了在切换期间，换向单元的杂散电感和栅极电路的电感之间的感应耦合干扰栅极信号。在稍微不同的耦合系数能够在切换期间产生显著的电流不平衡时，这种效应对于若干并联开关是最显著的。
2012年第7届集成功率系统的国际会议(cips)的论文集中由c.m.johnson,a.castellazzi,r.skuriat,p.evans,j.li和p.agyakwa著的"integratedhighpowermodules"主要涉及改进功率半导体模块的热管理。进一步描述的是，半桥模块的杂散电感可以通过提供改进的布局，例如通过使用平面或夹层封装来降低。
在2010年的2010年ieee能量转换协会和博览会(ecce)的论文集中由s.li,l.m.tolbert,f.wang和z.p.fang著的"reductionofstrayinductanceinpowerelectronicmodulesusingbasicswitchingcells"中，描述了应当降低杂散电感的用于功率电子器件的封装。
在第八届集成功率系统的国际会议(cips)的论文集中由p.beckedahl,m.spang和o.tamm著的"breakthroughintothethirddimension
wo2014/021077a1描述了一种多层衬底和使用多层衬底的功率模块。根据该文献，多层衬底特别用于提供具有低传导电阻的金属接线。
wo2014/0117524a1描述了一种功率半导体模块，其描述为能够在不执行单独的线接合的情况下制造。这种功率半导体装置包括通过堆叠多个衬底并且电连接功率半导体装置和引线框架形成的多层衬底。
us2012/0267149a1描述了一种制造功率模块和用于控制大电流和大电压的半导体设备中的功率模块衬底的方法。根据该文献，将陶瓷衬底和金属板的多层层压，其中在两侧上的金属板能够处于连接状态中。然而，该文献不关注于不同的功率半导体装置的具体布置。
us2009/0039498a1涉及一种功率半导体模块。这种功率半导体模块包括平面陶瓷衬底上布置的一个或多个功率半导体芯片，其在至少一侧上包含金属化物。关于衬底，后者可被设计为多层衬底，其包括一组金属层和一组陶瓷层。
ep0688053a1描述了特别是以半桥配置的功率半导体模块。常规开关和二极管可通过衬底支撑，如通常是本领域中已知的。对应的衬底能够布置在冷却器的两侧上。
在常规的半导体功率电子器件半桥模块中，在陶瓷衬底的平面中形成换向回路的重要部分。这种常规模块封装可提供用于基于硅作为半导体的芯片的良好性能，宽带隙(wbg)半导体要求模块的显著改进的切换性能。
然而，已经提出了若干有前景的封装概念。这些概念试图通过低应变电感(lσ)模块设计来优化电磁干扰(emi)和电磁兼容性(emc)，关注于优化包含功率端子回路贡献的回路大小。典型方法是紧凑的扁平封装。
尤其关于具有低杂散电感的功率半导体模块，然而仍存在对于改进的潜力。
us2014/0152373a1公开了一种功率半导体模块，包括两个功率半导体装置，由此功率半导体装置包括功率半导体晶体管和功率半导体二极管。第一衬底提供用于承载在第一平面中的功率半导体晶体管且第一平面平行于第一衬底的平面平放。功率半导体二极管在第二平面中被提供，并且第一平面在垂直于第一平面的方向上定位在第一衬底和第二平面之间。
技术实现要素：
因此，本发明的目的是要提供一种改进的功率半导体模块，其应消除现有技术中已知的缺点中的至少一个。
特别是，本发明的目的是要提供一种功率半导体模块，其提供用来在低杂散电感的情况下工作的能力和/或容易通过使用当前工艺水平的技术来特别构建。
这些目的通过根据权利要求1的功率半导体模块至少部分地实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。
本发明涉及一种功率半导体模块，包括至少两个功率半导体装置，其中至少两个功率半导体装置包括至少一个功率半导体晶体管和至少一个功率半导体二极管，其中至少第一衬底提供用于承载在第一平面中的功率半导体晶体管，第一平面平行于衬底的平面平放，其中功率半导体二极管在第二平面中被提供，其中第一平面在垂直于第一平面方向上定位在衬底和/或衬底的平面和第二平面之间，并且其中第一平面在垂直于第一平面的方向上与第二平面间隔开。
这种功率半导体模块可以容易地被形成，并且可以在工作期间提供低杂散电感。它可以特别示出优于常规平面功率半导体封装，并优于如现有技术中示出的更复杂的堆叠封装的优点。
功率半导体模块因此包括至少两个功率半导体装置。事实上，它可以包括恰好两个或多于两个的功率半导体装置。在这些功率半导体装置外，至少一个功率半导体装置是半导体晶体管且至少一个功率半导体装置是功率半导体二极管。
尽管下面的描述仅仅针对两个功率半导体装置来执行，它同样对多于两个功率半导体装置或另外的电子装置是有效的。例如，可以提供的是，功率半导体模块形成dc-dc，ac-dc，dc-ac和ac-ac功率转换器，在所述情况下除了一个或多个晶体管和/或开关和一个或多个二极管外，还可以提供一个或多个电感器和一个或多个电容器。
功率半导体晶体管有利地是功率应用的开关，并且尤其可以包括mosfet，igbt等，如通常是本领域中已知的。功率半导体二极管也通常是本领域已知的。这种功率半导体模块可以例如形成p-单元，n-单元，或包括两个p-单元和n-单元的半桥配置，如在下面详细描述的。
关于相应功率半导体装置的位置，提供至少第一衬底，第一衬底具有衬底金属化物。如同样是通常已知的，衬底金属化物用于承载和电接触功率半导体晶体管。
该衬底可以由陶瓷材料形成，例如以非限制性方式由氧化铝(al2o3)，氮化铝(aln)或氧化铍(beo)或如本领域中通常已知的另外材料形成。金属化物可以示范性包括铜金属化物或来自另外金属的金属化物。
作为示例，该衬底通过主层形成，该主层由上文限定的衬底材料形成，其在两侧上具有金属化物，例如一个被提供以附接芯片，另一个被提供以将衬底连接到冷却器。衬底主层可以被实现以提供机械支撑，而上金属化物可提供到一个或多个半导体装置的电接触且下金属化物可以提供到所述冷却器例如基板或内插器的接触。
紧接于上文限定的示例，例如用于承载晶体管的衬底也能够被实现为金属板，例如铜板。
此外，功率半导体晶体管在第一平面中被提供，第一平面平行于衬底的平面平放。换句话说，在该衬底位于水平面中的状态下，晶体管也位于水平面中，所述平面被定义为第一平面。该第一平面可以是通过晶体管的任何平面，且它具有到衬底的平面的限定距离，该距离在垂直方向上限定。例如，所描述的每个平面通过相应功率半导体元件的底部表面和/或背侧表面，其直接邻近它附接到的金属化物的上表面的平面，以及也直接邻近衬底的平面，如果衬底定位于水平面中的话。
紧接于上文限定的第一平面，提供的是，在第二平面中提供的功率半导体二极管。第二平面平行于第一平面布置，其中第一平面在垂直于第一平面的方向上定位在衬底或衬底平面和第二平面之间，并且其中第一平面在垂直于第一平面的方向上与第二平面间隔开。换句话说，在该衬底平面是水平的状态下，二极管也位于水平面中，所述平面被定义为第二平面。它具有到衬底的平面的限定距离，该距离在垂直方向上限定，其中各自在垂直方向上，第二平面到衬底的平面的距离与第一平面到衬底的平面的距离相比是较大的，如果衬底的平面位于水平面中的话。因此，参考相应平面的水平取向，通过晶体管的平面与二极管的平面间隔开，由于这个，在垂直方向上，晶体管和二极管彼此间隔开。
有利地这样选择在这些水平进行的情况下的第一和第二平面之间的垂直距离，以至于衬底材料能够经受住金属化物之间的电场，即它是衬底材料和额定电压的函数。在大多数情况下，第一和第二平面之间的距离可以有利地在≥10μm至≤10mm之间，优选在≥100μm至≤1mm之间，其中如果第一和第二平面各自通过晶体管和二极管的底部表面或背部表面进行和/或如果第一平面和第二平面水平进行，可以提供这种距离。
二极管也可以在衬底上提供，例如如上所述的陶瓷衬底，或其可以在另外的支撑上提供，如将在下文详细所描述的。因此，尽管用于承载晶体管的衬底被称为第一衬底，第二或另外的衬底可以是存在的，但绝不是强制性的。
功率半导体模块的这种配置提供了多个优点。
详细地，如上所述的配置和/或封装提供与常规的平面封装相比极低的杂散电感。作为示例，这样减少至现有技术的解决方案的约五分之一的模块衬底的非常低的杂散电感在某些情形下可以被达到。
为了允许低杂散电感值，电流路径在垂直方向上在彼此上方至少部分地堆叠，而不是只将它们在水平方向上紧接于彼此地放置，如果衬底在水平位置中定位的话。在垂直布置中，换向单元的面积大致与电流路径的垂直分离成比例。当垂直距离能够是非常小(<1mm)的时，该布置允许小得多的回路大小。此外，垂直换向路径不太干扰栅极控制电路系统，所述栅极控制电路系统通常放置在模块之上。
低电感换向单元因此可以通过垂直堆叠不同平面中的晶体管和二极管之间的换向电流来实现，其各自例如在底部衬底的不同层中具有彼此相距的距离。因此，能够预计强烈改进的切换行为，由于这个，这种模块对于快速切换半导体的封装是理想的。
在降低现代功率半导体的切换时间的情况下，尤其是对新的半导体材料，如sic和gan，功率模块的杂散电感必须急剧下降，以保持良好的切换行为。杂散电感在切换事件期间导致电压过冲，这增加了切换损耗且要求半导体芯片的降额。这指出可以通过减少如上面描述的杂散电感来实现的优点。
同时，根据现有技术的常规的冷却方法要求紧接于彼此横向定位的芯片，以实现通过共同的冷板的冷却。堆叠的芯片要求双侧冷却或通过共同的内插器的冷却。通过多层dbc的冷却是不太有效率的，由于dbc层的较高的热阻。
根据如上所述的功率半导体模块的配置，然而，可以实现良好的热性质。晶体管例如mosfet的热阻等于根据现有技术的标准的基于dbc的衬底。由于潜在存在的附加层，二极管的热阻例如dbc层的热阻可能略差。然而，当切换损耗几乎排它性地在晶体管和/或开关中积累，这对于快速切换半导体模块是可接受的，并且不会引起显著冷却问题。因此，尽管二极管可以不直接与冷却装置相邻放置，如上所述的功率半导体模块的热行为不被显著恶化。
如这里所述的功率半导体模块的热阻与根据现有技术的常规多层功率模块相比是显著较低的。此外，由于无倒装芯片被严格要求，所有芯片能够通过其背侧以最大的热传递面积冷却。
另外，可以提供的是，二极管另外通过功率端子来冷却，这进一步改进功率半导体模块的热行为。
除了上文外，模块布局本身是兼容的以呈现功率电子器件模块。特别地，电端子仍然能够位于功率模块之上。此外，模块能够常规通过能够接地的共同基板冷却。
因此，如上所述的功率半导体模块能够使用常规的组装技术和标准的封装技术，例如线接合连接，例如顶侧连接来构造。
代替多层衬底，根据实施例，它可能足以使用具有作为在上面的岛添加的另外的层的2层衬底。因此，可以实现简单的构造。
此外，在现有的功率电子器件封装布局的情况下，相对于端子布置和冷却，这种功率半导体模块是兼容的。用于倒装芯片和/或晶体管的要求没有被给出，尽管在某些情形下，倒装芯片在如这里描述的功率半导体模块中可以有利的。
在最实际的功率电子器件转换器拓扑中，开关必须维持大部分损失。已经采用目前工艺水平的sic或gan肖特基二极管，二极管中的反向恢复损耗被大大降低，从而增加了在损失分布中的不平衡。
总之，如上面描述的功率半导体模块使用来自多层衬底的3d-封装结构实现具有良好热性质的低电感功率模块。
根据实施例，将第一衬底连接到冷却装置，且因此热接触到冷却装置。根据这个实施例，功率半导体模块的热行为可以特别有效地增强。详细地，由于晶体管和/或开关位于第一衬底或其衬底金属化物上的事实，冷却效果对要求强烈冷却的这种功率半导体装置是特别有效的。与功率半导体晶体管相比，在半导体二极管上的较小的损失密度使得有可能以降低的冷却功率工作，使得在二极管和冷却装置之间提供另外的层不是有害的。
关于冷却装置，后者例如可以是常规的基板。然而，冷却装置当然不限于如上所述的这种示例。此外，冷却装置，例如基板可以固定到在衬底底部侧和/或其陶瓷主层处提供的金属化物，而晶体管在顶侧金属化物处提供，如通常是本领域已知的。如果衬底由金属板形成，同样可以对应地适用，例如如本领域技术人员将清楚地从上面的描述中推导。
根据另外实施例，功率半导体装置形成p-单元和n-单元中的至少一个。因此，根据该实施例，p-单元和n-单元中的至少一个在功率半导体模块中提供。这可能是特别有利的，由于p-单元或n-单元同样可以作为用于形成基于功率半导体模块的电装置的基本工作块。在一些应用中，例如具有单向能量流的dc/dc转换器，只要求p-单元或n-单元，并且不存在对于示范性完整的半桥模块的需要。
因此，尤其是如果功率半导体装置形成p-单元和n-单元中的至少一个，可以实现广泛的应用范围，允许根据本发明的功率半导体模块在许多应用中使用。
根据另外的实施例，功率半导体装置形成p-单元和n-单元二者，其中p-单元的功率半导体装置布置在导电结构上且其中n-单元的功率半导体装置在导电结构上提供，其中p-单元的导电结构与n-单元的导电结构分离。换句话说，p-单元和n-单元通过使用不同的导电结构，例如金属化物布置。因此，用于承载功率半导体装置的p-单元和n-单元的导电结构分别与相应不同的单元的导电结构分离，使得相应不同单元的结构同样没有机械接触。由于p-单元和n-单元可以连接以形成半桥模块的事实，间接电接触可以是存在的。然而，结构同样被分离并因此电绝缘，并在空间上与另一个分离。
可以提供的是，p-单元的功率半导体装置布置在至少一个衬底上或在多个衬底上，其中p-单元的至少一个衬底或多个衬底与用于定位n-单元的功率半导体装置的至少一个或多个衬底分离。p-单元和n-单元的衬底由此可以相同地形成，或它们可以彼此不同。此外，p-单元和n-单元中的每个可以包括用于晶体管的衬底和用于二极管的衬底，或可以提供用于晶体管的衬底和用于二极管的不同支撑，如在下文中详细所描述的。
示出p-单元和n-单元的分离的该实施例允许特别容易地形成半桥模块。详细地，可以通过以并联方式组合p-单元和n-单元中的每一个来形成半桥模块，代替用于功率电子器件例如用于转换器的反并联二极管和开关的组合。
这种方法通过减少在换向路径中的封装外部的互连的需要来大大降低转换器实现中的杂散电感。
如上所述的p-单元和n-单元的分离的另外优点是在相应第一衬底上始终放置晶体管和/或开关的可能性，这继而允许功率半导体模块的改进的冷却并且由此热行为，如上所述的。
作为另外的优点，每个衬底只要求一个栅极控制信号。这允许简单且进一步高度柔性衬底和模块设计以及平行于衬底的容易可能性。
由此可以在不损害模块的性能的情况下实现上述优点。
根据本发明，至少第一衬底基于直接接合的铜衬底(dbc-衬底)上。直接接合的铜衬底主要由瓷砖（ceramictile）构成，例如通常由氧化铝或上面进一步命名的衬底材料形成，其中铜片材通过高温氧化过程接合到一侧或两侧。瓷砖作为衬底主层且铜作为衬底金属化物。铜可以使用pcb技术蚀刻以形成电路。这种衬底特别容易形成，并且还具有与模块的热行为有关的优点。除此之外，尤其是，dbc衬底提供尤其是与关于模块的形成的广泛应用范围和设计适应有关的优点。详细地，dbc衬底可容易地适应于所预期的应用范围。因此，如上所述的功率半导体模块可以非常容易地形成并适应。
两个直接接合的铜衬底（即第一衬底和第二衬底）能够一个在另一个上堆叠。在这个意义上，紧接于第一衬底，提供用于承载二极管的第二衬底，其位于第一衬底上。就此而言，第一和第二衬底二者可以非常容易地形成，并且可以提供如上面针对dbc衬底描述的优点。根据这两个直接接合的铜衬底，可以提供两个陶瓷衬底和/或衬底主层，其中可以提供三个金属层和/或金属化物层，每一个在每个衬底上方，并且这样的一个在衬底之间，以及一个在衬底下。衬底之间的金属层可以由两个亚层（sublayer）形成，其中每个亚层来源于堆叠衬底的上或下金属化物。
可以提供下金属化物，例如以提供到基板的导热连接。此外，可以允许到基板的简单固定。用于承载二极管的上dbc衬底与第一衬底相比可以例如以提供在下衬底和/或第一衬底上的岛的形式由此具有较小的延伸。这可提供低的空间要求，并进一步容易地定位和连接相应功率半导体装置。例如，该晶体管可以紧接于上衬底放置。附加的dbc层可以例如通过焊接，烧结或钎焊被附接。因此，可能有利的是，上dbc层包括在其上侧上和在其下侧上的金属化物。
根据本发明，第一衬底是用于承载晶体管的直接接合的铜衬底(pcb)，在所述第一衬底上提供用于承载或支撑二极管的印刷电路板的层。这又是用于形成如上所述的功率半导体模块的非常容易的实施例。事实上，pcb-技术可以被整合到相应的规程中以形成不具有显著问题的模块。pcb层也可以这样定位，以至于它具有与第一衬底相比较小的尺寸，并且可以因此又在第一衬底上形成为岛状的。附加的pcb层可以通过低温焊接，烧结附接，或它可以采用特别导电粘合剂胶合。如通常本领域已知的，pcb层包括不传导衬底，例如由环氧材料形成，导电结构例如铜结构可以位于不传导衬底上。可以提供的是，在不传导衬底的上表面以及下表面上形成的金属化物。在上面的金属化物支撑和电连接到芯片。在下面的金属化物例如用于在第一衬底的顶部金属化物上钎焊、烧结、胶合。它通常可以更容易地特别是以热的方式连接金属，而不是绝缘材料。特别是在这种情况下，导电粘合剂可能是有利的。
根据本发明并且作为前述pcb层的备选方案，第一衬底是用于承载晶体管的直接接合的铜衬底，在所述第一衬底上提供用于承载或支撑二极管的箔，其中箔包括电绝缘主体和在其上提供用于承载二极管的导电结构。箔可例如通过焊接或烧结附接。此外，用于二极管的第二载体的提供可以非常容易地形成，并且可以被整合到过程中而没有显著问题。根据本实施例的箔可以包括由电绝缘材料例如聚酯或聚酰亚胺(例如由公司dupont在其名称kapton下市售可得的电绝缘材料)形成的塑料主体箔。主体在顶侧上和任选地在底侧上可以包括一个或多个例如由铜形成的金属化物，以便通过背侧金属化物或底部侧金属化物提供到下衬底的良好固定，或另外用于通过前侧金属化物或顶侧金属化物来电接触二极管。
根据另外实施例，晶体管基于宽带隙半导体形成。特别是针对宽带隙半导体，杂散电感应当降低以保持良好的切换行为。因此，如上所述的功率半导体模块对于存在于功率半导体晶体管中的这样的宽带隙半导体是特别有利的。这样的半导体装置例如基于碳化硅(sic)或氮化镓(gan)。作为解释，但不限于此，“宽”带隙半导体通常指具有至少3ev的带隙的材料。这种带隙比这些常用的半导体，例如硅(1.1ev)或砷化镓(1.4ev)显著更大。
根据另外实施例，功率半导体模块包括至少一个内插器。内插器特别是可以由金属块例如钼形成的冷却器，其承载（carriers）冷却功能。当提供内插器时，承载相应功率半导体装置的衬底可布置在内插器的多个侧上，且因此示范性地在内插器的下侧上和上侧上，使得内插器在垂直于相应衬底平面的方向上定位在两个衬底之间。关于本实施例，尤其通过在如上所述的不同平面中定位晶体管和二极管，上述优点可以通过使用内插器显著增强。
除此之外，特别是，如上文所述的具有p-/n-单元分离的模块对于具有内插器的封装，例如用于自动应用的封装是非常有益的。这是由于以下事实，p-/n-单元分离使杂散电感独立于内插器的厚度和材料。因此，减少杂散电感的上述优点尤其可以有效地与内插器
此外，特别是如上所述的其中提供p-/n-单元分离的实施例，该实施例可以在衬底例如通过使用内插器彼此远离地定位的情况下是高度有利的，因为只有一个栅极控制信号必须被路由到内插器的下侧。因此，可以大量简化模块设计。
附图说明
本发明的主题的附加特征，特性和优点在从属权利要求，附图和相应附图和示例的以下描述中公开，其以示范性方式示出根据本发明半导体模块的实施例和示例。
在附图中：
图1示出可以由根据本发明的功率半导体模块形成的半桥模块的拓扑;
图2示出可以由根据本发明的功率半导体模块形成的p-单元的实施例;
图3示出可以由根据本发明的功率半导体模块形成的n-单元的实施例;
图4示出可以由根据本发明的功率半导体模块形成的p-单元的另外实施例;
图5示出可以由根据本发明的功率半导体模块形成的n-单元的另外实施例;
图6示出可以由根据本发明的功率半导体模块形成的p-单元的另外实施例;
图7示出可以由根据本发明的功率半导体模块形成的n-单元的另外实施例;以及
图8示出可以由根据本发明的功率半导体模块形成的半桥的配置。
具体实施方式
在图1中，示出电子电路拓扑的实施例，其可通过根据本发明的功率半导体模块的方式来实现。
详细地，示出p-单元10，以及n-单元12，其可以以并联组合和/或连接形成半桥模块14。关于p-单元10和n-单元12，这些单元分别包括dc+端子或正dc-连接16和dc-端子或负dc-连接18，以及ac-连接20。此外，提供了作为开关工作的晶体管22，其可以由mosfet，igbt等来形成。另外，提供二极管24。此外，提供ac-连接20，在p-单元10处，其可以将电路连接到电流源或电感器的正极引线，且在n-单元处，其可以将电路连接到电流源或电感器的负极引线。
如上所述，在电路中提供低杂散电感尤其对于快速切换装置可以是个挑战。就此而言，杂散电感被定义为从正dc-连接16到负dc-连接18的电流路径的回路电感。根据负载电流的流动方向，其穿过高侧开关和低侧二极管或高侧二极管和低侧开关，如可以从图1所预料的。
为了减少例如在电路中例如在p-单元10、n-单元12或半桥模块14中的杂散电感，可以形成功率半导体模块，如将在下面示出。
图2示出p-单元10的示例且图3示出n-单元12的示例，其中图2的p-单元10和图3的n-单元12二者可以通过将它们并联连接形成作为功率半导体模块的半桥模块14。
详细地，图2的p-单元10提供两个功率半导体装置，其中之一是晶体管22和/或开关，且其中之一是二极管24。晶体管22位于衬底26上，其被形成为dbc衬底。它包括承载上金属化物30和下金属化物32的衬底主层28。下金属化物32可以被连接到基板，而上金属化物30承载并接触晶体管22和正dc-连接16。
在衬底26之上，提供作为第二衬底的另外的衬底34，其又为dbc衬底。与衬底26相比，它形成为具有更小的尺寸且它可以因此被称为下衬底26上的岛。衬底34提供衬底主层36和金属化物38。上衬底34和/或其衬底金属化物38承载二极管24以及ac-连接20和负dc-连接18。金属化物38通过接合线40连接到晶体管22。二极管24通过接合线40连接到负dc-连接18。
图3中示出的n-单元12分别被构建，其中在下文中，描述不同之处。特别是，为了形成n-单元12，晶体管22通过倒装芯片技术来定位并进一步地，二极管24分别连接到正dc-连接16以及ac-连接20，如将从图3显而易见的。晶体管22位于还承载负dc-连接18的金属化物30上。
根据图2和图3的实施例，有可能通过在n-单元12中倒装晶体22管来使用相同的衬底，并且特别是相同的下衬底26。这允许如衬底26可以被重复使用的容易的生产方法。
在该配置中，有可能将二极管24仅放置在其中冷却效率较低的附加的岛上。晶体管22和/或开关仍通过直接将其放置在下衬底26上来非常有效地冷却。因为在纸平面中完全包含换向路径，杂散电感是极低的。
通常，可以提供的是，仅在衬底位于水平面中的情况下，在一个垂直平面中布置晶体管22和二极管24，使得换向路径在一个垂直平面中蔓延。
根据图2和图3的实施例因此示出芯片在三层dbc上的布置，这实现p-单元10或n-单元12，其中半导体开关22总定位在中间层即金属化物30上，且功率半导体二极管24总位于上层即金属化物38上。所提议的布置提供非常低的杂散电感和良好的热性质。
另外，关于图2和图3的单元，能够看到，功率半导体晶体管22位于第一平面44中，第一平面44平行于衬底26的平面42平放，并且功率半导体二极管24在第二平面46中被提供，其中第一平面44在垂直于第一平面44的方向上定位在衬底26和第二平面46之间，并且其中第一平面44与第二平面46在垂直于第一平面44的方向上间隔开。换句话说，晶体管22与二极管24在垂直方向上间隔开，如果第一平面44和第二平面46布置在水平面中的话。这允许显著减少杂散电感。
图4示出p-单元10的另外实施例且图5示出n-单元12的另外实施例，其又可以并联地组合以形成半桥模块14。通常，相同的参考数字指与图2和3相比相同的组件。
根据图4和5，此外，可以使用相同的衬底26，因为衬底26的n-单元的晶体管22(图5)被倒装。能够进一步看到，ac-连接20位于金属化物30的一部分。另外装置分别被互连，如分别从图4和图5能够清楚地看到的。
图6示出p-单元10的另外实施例且图7示出n-单元12的另外实施例，其又可以并联地组合以形成半桥模块14。
就此而言，示出p-单元10和n-单元12的备选实现。根据图6和图7，不同的衬底26被用于p-单元10和n-单元12。因此，p-单元10和n-单元12的分离可以被实现。这种实现具有与图2至图5示出的实施例基本上相等的低的杂散电感。同时，不再存在对于晶体管22的倒装芯片的需要。
图8示出包括p-单元10和n-单元12的完整的半桥模块14的示例。每个单元承载6个mosfet和3个二极管。每个芯片具有5mmx5mm的占地面积。衬底26被实现为具有图案化顶侧的dbc衬底。dc+上的所有对象在第一阴影48中示出，ac上的所有对象在第二阴影50上示出，并且dc-上的所有对象在第三阴影52上示出。dc端子已被实现为具有显著低于衬底的电感的电感。
详细地，图8示出所提议的以p/n-单元分离的2.5d功率模块的实现，其中p-单元10在右手侧上示出，n-单元12在左手侧上示出。如使用软件ansysq3d提取器模拟的杂散电感为约1.3nh，软件ansysq3d提取器允许使用3d有限元(fem)模拟构造功率模块的等效电路模型。
关于根据本发明的例如上面所述的功率半导体模块的不同实施例，可以注意到下文。常规半桥模块14能够通过并联连接p-单元10和n-单元12来形成。对应的衬底26能够布置在相同的冷却器上以具有共同的基板。为了减少占地面积，还有可能在内插器冷却器的两侧上布置两个衬底26。
当开关和/或晶体管22的顶侧可以容易地接近时，能够采用常规方式容易地建立顶侧电连接。更特别地，顶侧接触能够使用例如常规的线接合40来实现。
通常且独立于相应实施例，如果用于顶侧接触的线接合40通过使用铜的柔性片材的平面接合取代，能够实现杂散电感的甚至较低值。
当dc+和dc-端子位于功率模块的同一侧处时，外部端子能够采用附加的低杂散电感来实现。
机械稳定性和可靠性由于衬底26的性质是非常良好的，所述衬底可以形成为直接接合的铜衬底。
虽然在附图和前面的描述中已经详细图示并描述本发明，这种说明和描述应当被认为是说明性的或示范性的而非限制性的;本发明并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
10p-单元
12n-单元
14半桥模块
16正dc连接
18负dc连接
20ac连接
22晶体管
24二极管
26第一衬底
28主层
30金属化物
32金属化物
34第二衬底
36主层
38金属化物
40接合线
42衬底平面
44第一平面
46第二平面
48涉及第一电位的第一阴影
50涉及第二电位的第二阴影
52涉及第三电位的第三阴影
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