半导体模块及其制造方法与流程

本发明涉及半导体模块，尤其是功率半导体模块。

背景技术：

功率模块的关键问题之一是从其中包括的半导体器件，例如igbt、mosfet、二极管等中除热。通常，半导体器件的顶面用于与该器件的连接板形成电气连接，而底面用于通过与陶瓷基板等导热但电绝缘的材料附接来进行除热。传统设置中，功率模块底面具有冷却板，顶面具有电触点。

为了进一步降低模块的热阻，半导体器件的顶面还可用于通过与铜块等导热材料附接来进行除热。jp2008/186890a文献中描述了这种模块的示例。在其中的实施例中，内表面彼此相对的两个散热板之间容纳两个半导体器件，并通过模具树脂封装，使得散热板和半导体器件一起封装。散热板的外表面从模具树脂中露出。半导体元件安装在其中一个散热板上并与另一个散热板通过间隔件连接。

2015年5月19-21日德国纽伦堡举行的2015欧洲pcim展览会上，安德烈亚斯·格拉斯曼(andreasgrassmann)、奥特玛·盖特纳(ottmargeitner)、沃尔夫勒姆·哈布莱(wolframhable)、克莉丝汀·諾伊格(christianneugirg)、亚历山大·施瓦茨(alexanderschwarz)、弗兰克·温特(frankwinter)、尹弼·刘(inpilyoo)在“hev应用中高功率密度的双侧冷却模块概念(doublesidedcooledmoduleconceptforhighpowerdensityinhevapplications)”第442-448页也论述了这种模块。该功率模块将双侧芯片冷却与散热片的电气隔离结合。由直接覆铜(directcopperbonded，dcb)陶瓷基板提供电隔离。通过将芯片直接焊接到基板上将热量传输到下面的散热片，并利用调整模块高度的间隔件将热量传输到上面的散热片上。

但是，制作这种双侧冷却模块非常昂贵，且实际只减少了20％至30％的热阻。原因在于：通过半导体器件的顶面冷却比通过底面冷却效率低，因为顶面还用于电接触。因此，无法在半导体器件的整个顶面安装间隔件。安裝间隔件时应小心,不要破坏半导体器件顶面上的电气连接。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种半导体模块，尤其是功率半导体模块，以提高散热和/或增加功率密度。

前述和其它目标通过独立权利要求的特征实现。进一步的实施形式在从属权利要求、具体说明和附图中显而易见。

根据第一方面，提供一种半导体模块，包括至少两个电绝缘基板，其分别具有第一主表面以及与所述第一主表面相对的第二主表面。对于所述基板中的每一个，至少一个半导体器件安装在所述对应基板的所述第一主表面上。外部端子与所述基板中的至少一个的所述第一主表面连接。所述基板彼此相对设置，使其第一主表面彼此相对。

通过这种设置，例如可能从所述模块的所述相对的侧面有效耗散所述半导体器件产生的热量。另外，通过提高散热和在所述模块的相对侧面上设置半导体器件，可以提高半导体模块的功率密度。因为所述半导体器件只有单侧与基板附接，可以保持较低的成本和加工复杂度。可以使用沿用已久的装配技术制造所述模块且因此可能降低成本。

在所述第一方面的实施形式中，所述半导体模块还包括封装，且所述基板中的每一个的所述第二主表面暴露在所述封装的相对侧面上。

因此，例如可能通过封装保护所述设备，并且仍然能够从所述模块的所述相对侧面有效耗散所述半导体器件产生的热量。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述基板导热。

因此，例如可能从所述半导体器件到所述模块的外部更好地进行散热。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述至少一个半导体器件是功率半导体器件。

因此，例如可能将本发明应用到功率模块，对于功率模块来说有效散热特别重要。

在所述第一方面的另一实施形式中，散热片安装在所述基板的所述第二主表面中的至少一个上。

因此，例如可能进一步提高从所述半导体器件中散热的效率。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述外部端子包括至少两个外部引线。所有外部引线在平面中从所述模块的两个相对侧面伸出，或者所有所述外部引线仅从所述模块的一个侧面伸出。

因此，例如可能为所述模块在两个相对侧面上提供平面中的连接，这是半导体器件常用的设置；或者为所述模块仅在一个侧面上提供连接，留下另一个侧面用于散热器件。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述外部端子形成为与所述至少两个基板连接的引线框。

因此，例如可能根据本发明提供所述半导体模块的变型。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述至少两个基板通过所述引线框的独立引线之间的桥接件电气互连。

因此，例如可能易于提供所述至少两个基板之间的互连。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述外部端子形成为两个单独引线框，分别与所述至少两个基板中的一个连接。

因此，例如可能根据本发明提供所述半导体模块的另一变型。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述至少两个基板通过所述两个互相连接的单独引线框的独立引线电气互连。

因此，例如可能易于提供所述至少两个基板之间的互连。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述外部端子形成为引脚，与所述至少两个基板中的一个连接并在与连接至所述引脚的所述基板相对的侧面上从所述模块中伸出。

因此，例如可能根据本发明提供所述半导体模块的另一变型。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述至少两个基板通过内部引线框或通过内部引脚电气互连。

因此，例如可能易于提供所述至少两个基板之间的互连。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述至少两个基板相互间隔开设置。

因此，例如可能避免所述基板的第一侧面上的所述半导体器件或其它组件相互接触和/或可能在所述基板之间的间隔中设置其它组件。

在所述第一方面的另一实施形式中，所述半导体模块还包括印刷电路板，所述印刷电路板包括控制器和/或所述半导体器件的驱动程序。所述印刷电路板设置在所述至少两个基板之间的间隔中。

因此，例如可能提供一种智能功率模块，其中集成控制器和/或所述半导体器件的驱动程序。

也可以根据第二方面实现以上目标。

根据所述第二方面，提供一种制造半导体模块的方法。所述方法包括：制备至少两个电绝缘基板，其分别具有第一主表面以及与所述第一主表面相对的第二主表面；在所述基板中的每一个的所述第一主表面上安裝至少一个半导体器件；连接外部端子与所述基板中的至少一个的所述第一主表面；以及将所述至少两个基板彼此相对设置，使其第一主表面彼此相对。

通过这种方法，例如可能制造一种半导体模块，其中可以从所述模块的两侧有效除去所述半导体器件产生的热量。另外，通过提高散热和在所述模块的相对侧面上设置半导体器件，可以提高半导体模块的功率密度。因为所述半导体器件只与基板单侧附接，可以保持较低的成本和加工复杂度。可以使用沿用已久的装配技术制造所述模块且因此可能降低成本。

在所述第二方面的实施形式中，所述半导体模块还具有封装，设置成所述基板中的每一个的所述第二主表面暴露在所述封装的相对侧面上。

因此，例如可能通过封装保护所述设备，并且仍然能够从所述模块的所述相对侧面有效耗散所述半导体器件产生的热量。

在所述第二方面的另一实施形式中，导热基板用作所述基板。

因此，例如可能从所述半导体器件到所述模块的外部更好地进行散热。

在所述第二方面的另一实施形式中，功率半导体器件用作所述至少一个半导体器件。

因此，例如可能将本发明应用到功率模块，对于功率模块来说有效散热特别重要。

在所述第二方面的另一实施形式中，所述方法还包括：在所述基板的所述第二主表面中的至少一个上安裝散热片。

因此，例如可能进一步提高从所述半导体器件中散热的效率。

在所述第二方面的另一实施形式中，所述外部端子包括至少两个外部引线。所有外部引线设置为在平面中从所述模块的两个相对侧面伸出，或者所有所述外部引线设置为仅从所述模块的一个侧面伸出。

因此，例如可能为所述模块在两个相对侧面上提供平面中的连接，这是半导体器件常用的设置；或者为所述模块仅在一个侧面上提供连接，留下另一个侧面用于散热器件。

在所述第二方面的另一实施形式中，引线框与所述至少两个基板连接，作为外部端子。

因此，例如可能根据本发明提供所述半导体模块的变型。

在所述第二方面的另一实施形式中，提供所述引线框的独立引线之间的桥接件，用于互连所述至少两个基板。

因此，例如可能易于提供所述至少两个基板之间的互连。

在所述第二方面的另一实施形式中，分别与所述至少两个基板中的一个连接的两个单独引线框用作所述外部端子。

因此，例如可能根据本发明提供所述半导体模块的另一变型。

在所述第二方面的另一实施形式中，所述两个单独引线框的独立引线互相连接，用于互连所述至少两个基板。

因此，例如可能易于提供所述至少两个基板之间的互连。

在所述第二方面的另一实施形式中，与所述至少两个基板中的一个连接的引脚用作所述外部端子，且所述引脚在与连接至所述引脚的所述基板相对的侧面上从所述模块中伸出。

因此，例如可能根据本发明提供所述半导体模块的另一变型。

在所述第二方面的另一实施形式中，内部引线框或内部引脚用于互连所述至少两个基板。

因此，例如可能易于提供所述至少两个基板之间的互连。

在所述第二方面的另一实施形式中，所述至少两个基板相互间隔开设置。

因此，例如可能避免所述基板的第一侧面上的所述半导体器件或其它组件相互接触和/或可能在所述基板之间的间隔中设置其它组件。

在所述第二方面的另一实施形式中，所述方法还包括：在所述至少两个基板之间的间隔中设置印刷电路板，所述印刷电路板包括所述半导体器件的驱动电路。

因此，例如可能提供一种智能功率模块，其中集成控制器和所述半导体器件的驱动程序。

还应理解，本发明的实施例也可以是附属权利要求或以上实施形式与对应的独立权利要求或以上各方面的任何组合。

本发明的这些和其它方面将根据下文所描述的实施例显而易见，并参考这些实施例予以阐明。

附图说明

图1a是根据本发明第一实施例的半导体模块的侧视图；

图1b是根据第一实施例的半导体模块的透视图；

图2a是根据本发明任一实施例的半导体模块的第一变型的透视图；

图2b是根据本发明任一实施例的半导体模块的第二变型的透视图；

图3a是根据本发明第二实施例的半导体模块的侧视图；

图3b是根据第二实施例的半导体模块的透视图；

图4a是根据本发明第三实施例的半导体模块的侧视图；

图4b是根据第三实施例的半导体模块的透视图；

图5a是根据本发明第四实施例的半导体模块的侧视图；

图5b是根据第四实施例的半导体模块的透视图；

图6a是根据本发明第五实施例的半导体模块的侧视图；以及

图6b是根据第五实施例的半导体模块的透视图。

具体实施方式

以下参考附图描述本发明的实施例。

图1a和1b示出根据第一实施例的半导体模块100，其中图1a是侧视图，图1b是透视图。为清楚起见，图1b中省略封装和散热片。

半导体模块100包括两个电绝缘基板101a、101b。每个基板具有彼此相对的两个主表面。优选地，该基板导热。所用材料的导热性例如可以在25-200w/mk范围内。例如，陶瓷可以用作基板的材料。作为一特定实例，可以使用直接覆铜(directbondedcopper，dbc)基板，其中铜片与陶瓷基板的一侧或两侧键合。作为另一具体示例，可以使用绝缘金属基板(insulatedmetalsubstrate，ims)，ims含有例如由铝制成的金属底板，在金属底板上按照顺序叠加绝缘层和金属箔，绝缘层例如为填充陶瓷的聚合箔，金属箔例如为铜箔。

在基板中的每一个的第一主表面102a、102b上安装一个或多个半导体器件110。优选地，半导体器件是功率半导体器件，例如igbt、mosfet或二极管。例如，半导体器件中的每一个的底面被贴片，例如通过焊接或烧结键合，到与对应基板101a、101b的第一主表面102a、102b上的布线层(未示出)，而半导体器件110中的每一个的顶面上的焊盘(未示出)通过键合线111或固定夹与布线层(未示出)的焊盘(未示出)键合。

根据本发明，基板101a、101b彼此相对设置在半导体模块100中，使得其第一主表面102a、102b彼此相对。因此，每个基板101a、101b的与第一主表面102a、102b相对的第二主表面103a、103b面对半导体模块100的外部。基板101a、101b相互间隔开设置，使得半导体器件110和/或键合线111互相不接触。

提供外部端子用于从外部供应电力和信号。在本实施例中，外部端子包括引线框120。引线框是在平面中布置引线，并由框包围引线。即使在制造期间，为了使引脚独立将引线框切除，但是由此形成的平面中引线外端部的布置在本领域中也总称为“引线框”，其中该平面是由引线之前与平面框的连接形成的。在这种含义下，该术语也用于本申请中。图中只示出相关的引线框部分，未示出完整引线框。

引线框具有预定数目的引线121。在本实施例中，引线121中的一些向下弯曲，另一些向上弯曲。在此上下文中，向下和向上是指图1a所示的布置，其中第一基板101a在模块底部，第二基板101b在模块顶部。

向下弯曲的引线121a与第一基板101a连接，向上弯曲的引线121b与第二基板101b连接，例如通过焊接或烧结连接。因此，基板101a、101b中的每一个与外部电气连接。此外，基板101a、101b也可以通过桥接件122电气互连，桥接件122可以设置在相邻引线121a、121b之间。图1b示出一些通过桥接件122互连的引线121a、121b以及一些没有桥接件的引线121a、121b。

半导体模块100还包括封装130，形成该模块的包装。封装130优选地由树脂制成，并通过例如转注成型或注塑成型形成。封装130的形成方式是使得基板101a、101b中的每一个的第二主表面103a、103b暴露在封装的相对两侧。为了避免树脂与第二主表面103a、103b接触，可以使用薄膜辅助成型法。在成型期间，桥接件122优选地是二次成型，从而保护桥接件122，使得从模块的外面看不到桥接件。

基板101a、101b的暴露的第二主表面103a、103b上可以安装对应的散热片140a、140b以提高散热。

除了其它效果，上文所述的半导体模块可以实现以下效果：在模块的相对侧面上设置基板并使基板的第二主表面从封装中暴露可以增加模块的冷却区域。本说明书引入部分列举的现有技术中，第二散热板通过间隔件与半导体器件的顶面连接，顶面设置有焊盘，与现有技术相比，由于半导体器件的底面无需间隔件，直接安装在基板中的每一个上，因而可以提高热量耗散。另外，因为半导体器件设置在模块的两侧，即设置在基板中的每一个上，可以增加模块的功率密度。再者，因为功率半导体器件只有单侧与基板附接，可以使用沿用已久的装配技术制造模块，从而可以保持较低的成本和加工复杂度。

图2示意性地示出半导体模块200的不同变型。这些变型中外部端子的引线布置不相同。

图2a所示的半导体模块200a对应图1所示的布置。两个基板201a、201b在模块200a的顶部和底部(图中未示出底面)从封装230a中露出。外部端子220a包括预定数目的引线221a，引线221a在平面中从模块200a的相对侧面231、232伸出。

图2b所示的半导体模块200b是竖直或垂直版本。外部端子220b的引线221b全部只从模块200b的一个侧面233中伸出。该模块因此可以垂直插入到插口或电路板中，使得两个基板201a、201b在模块200b的正面和背面(未示出)从封装230b中露出。

即使上文将引线框描述为将基板与外部电连接和/或将基板相互电连接的装置，本发明并不限于这种特定实例。可以使用任何其它合适的连接技术。以下实施例中给出一些其它示例。

图3a和3b示出根据第二实施例的半导体模块300，其中图3a是侧视图，图3b是透视图。为清楚起见，图3b中省略封装和散热片。

半导体模块300的外部端子布置与图1所示的半导体模块100不同。外部端子不是包括一个引线框，而是包括两个单独引线框320a、320b，其分别与基板301a、301b中的一个连接。因此，基板301a、301b中的每一个与外部电气连接。此外，基板301a、301b也可以通过焊接或烧结将两个单独引线框320a、320b的独立引线321a、321b连接来实现电气互连。图3b示出一些互相连接的引线321a、321b以及一些未互相连接的引线321a、321b。

以上未论述的第二实施例的其它特征与第一实施例相同。尤其是基板301a、301b中的每一个上安装有半导体器件310，且设置成承载半导体器件310的侧面彼此相对。两个基板的其它侧面从封装330中露出，且散热片340a、340b可以安装在上面。

通过半导体模块300，可以如上文所述实现与半导体模块100相同的效果。另外，便于将独立引线框与单独基板连接，因为在连接过程中不需要相互调节基板。

图4a和4b示出根据第三实施例的半导体模块400，其中图4a是侧视图，图4b是透视图。为清楚起见，图4b中省略封装和散热片。

半导体模块400的外部端子布置与图1所示的半导体模块100不同。虽然外部端子也包括一个引线框420，但是其只与基板中的一个(第一基板)401a连接。因此，该基板401a与外部电气连接。另一个基板(第二基板)401b与第一基板401a连接，并利用内部引线框450通过第一基板401a与外部连接。

制造时，首先通过焊接或烧结将内部引线框450与基板中的一个连接，例如与第二基板401b连接。然后，从引线框450中切除框，翻转基板401b，并通过焊接或烧结将引线框450与其它基板连接，例如与第一基板401a连接。

以上未论述的第三实施例的其它特征与第一实施例相同。尤其是基板401a、401b中的每一个上安装有半导体器件410，且设置成承载半导体器件410的侧面彼此相对。两个基板的其它侧面从封装430中露出，且散热片440a、440b可以安装在上面。

引线框450的单个引线优选地如弹片一样具有弹性特性。因此，在成型期间，基板弹性压抵模具壁，从而降低模具树脂在基板401a、401b的暴露侧面上溢出的风险，其中基板401a、401b上可以安装散热片440a、440b。

通过半导体模块400，可以如上文所述实现与半导体模块100相同的效果。

图5a和5b示出根据第四实施例的半导体模块500，其中图5a是侧视图，图5b是透视图。为清楚起见，图5b中省略封装和散热片。

与图4所示的半导体模块400类似，半导体模块500的外部端子也包括一个引线框520，其只与基板中的一个(第一基板)501a连接。另一个基板(第二基板)501b与第一基板501a连接，并利用内部引脚560通过第一基板501a与外部连接。

制造时，首先通过焊接或烧结将内部引脚560与基板中的一个连接，例如与第二基板501b连接。然后翻转基板501b，并通过焊接或烧结将内部引脚560与其它基板连接，例如与第一基板501a连接。与半导体模块400的内部引线框类似，内部引脚560可以具有弹性功能。

以上未论述的第四实施例的其它特征与第一至第三实施例相同。尤其是基板501a、501b中的每一个上安装有半导体器件510，且设置成承载半导体器件510的侧面彼此相对。两个基板的其它侧面从封装530中露出，且散热片540a、540b可以安装在上面。

通过半导体模块500，可以如上文所述实现与半导体模块100相同的效果。

在一变型(图中未示出)中，代替引线框或除了引线框，引脚也可以用于外部端子。然后将引脚与一区域中的基板中的一个连接，其中该区域对面没有设置其它基板，且引脚在与其连接的基板相对的侧面上从模块中伸出。

图6a和6b示出根据第五实施例的半导体模块600，其中图6a是侧视图，图6b是透视图。为清楚起见，图6b中省略封装和散热片。

与图5所示的半导体模块500类似，半导体模块600的外部端子也包括一个引线框620，其只与基板中的一个(第一基板)601a连接。除了两个基板601a、601b，半导体模块600还包括印刷电路板670，其设置在基板601a、601b之间的间隔中。印刷电路板670可以包括例如控制器和/或半导体器件610的驱动程序，以及其它有源和/或无源元件。

与半导体模块500中类似，第一基板601a通过内部引脚661与印刷电路板670连接，第二基板601b通过内部引脚662与印刷电路板670连接。作为替代方案，两个基板601a、601b还可以通过印刷电路板670上的穿孔互连，或者在没有设置印刷电路板670的地方，通过内部引脚互连。另外，引线框620也可以与印刷电路板670连接，而不是与基板601a、601b中的一个连接。除了内部引脚，半导体模块600中也可以使用内部引线框。

以上未论述的第五实施例的其它特征与第一至第四实施例相同。尤其是基板601a、601b中的每一个上安装有半导体器件610，且设置成承载半导体器件610的侧面彼此相对。两个基板的其它侧面从封装630中露出，且散热片640a、640b可以安装在上面。

通过半导体模块600，可以如上文所述实现与半导体模块100相同的效果。另外，可以提供智能功率模块，其中在半导体模块中集成控制器和/或半导体器件的驱动程序。

可能的话，上述实施例的特征也可以合并。例如，图2a和2b所示的外部引线的不同布置可以应用于以上实施例中的任一个。又例如，参考第三和第四实施例描述的内部引线框和/或内部和/或外部引脚和/或参考第五实施例描述的印刷电路板还可以与其它实施例中的任一个结合使用。

综上所述，本发明涉及半导体模块，尤其是功率半导体模块，以提高散热并增加功率密度。半导体模块包括至少两个电绝缘基板，其分别具有第一主表面以及与第一主表面相对的第二主表面。基板中的每一个的第一主表面上安装至少一个半导体器件。外部端子与基板中的至少一个的第一主表面连接。基板彼此相对设置，使其第一主表面彼此相对。

虽然已经在附图和上述说明中详细展示并描述了本发明内容，但是这类展示和描述应该视为说明性或示例性而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过阅读本公开，对本领域的技术人员来说，其它修改将显而易见。这些修改可以涉及其它特征，这些特征在本领域中已经是已知的，并且可以代替或附加于本文已经描述的特征来使用。

在此结合各种实施例描述了本发明。但本领域技术人员通过实践本发明，研究附图、本发明以及所附的权利要求，能够理解并获得公开实施例的其它变体。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元素或步骤，不定冠词“一”不排除多个。在仅凭某些措施被记载在相互不同的从属权利要求书中这个单纯的事实并不意味着这些措施的结合不能被有效地使用。

尽管已经参考本发明的具体特征和实施例描述了本发明，但是很明显，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明进行各种修改和组合。说明书和附图仅视为所附权利要求书所定义的本发明的说明并且考虑覆盖本说明书的范围内的任何和所有修改、变体、组合或均等物。