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。本发明尤其涉及一种显示出良好长寿命可靠性的功率半导体模块。

背景技术：

包括功率半导体装置(如开关功率半导体装置)的功率半导体模块在本领域中大体是已知的。对于特定应用来说，机械地和/或关于环境因素保护功率半导体装置可能是重要的。

文件DE 11 2012 006 656 T5描述了一种半导体装置。就此而言，电路图案结合到陶瓷基底的顶表面。冷却体结合到陶瓷基底的下表面。在电路图案上提供绝缘栅双极晶体管(IGBT)和正向变换器(FWD)。涂膜覆盖陶瓷基底和电路图案之间的接合处，以及陶瓷基底和冷却体之间的接合处。模塑树脂(mould resin)密封陶瓷基底、电路图案、IGBT、FWD、冷却体和涂膜等。陶瓷基底具有比涂膜更高的导热率。涂膜具有低于模塑树脂的硬度，并减轻了从模塑树脂施加到陶瓷基底上的应力。电路图案和冷却体包括与模塑树脂接触而没有以涂膜覆盖的凹槽。

文件DE 41 33 199 A1描述了一种使用绝缘涂覆的金属基底的半导体装置，该基底包括支承在绝缘涂覆的金属基底上的半导体元件，该金属基底由金属基底和设置在金属基底上的绝缘层制成、形成在绝缘层上并连接到半导体元件的金属箔的布线、覆盖半导体元件和布线的绝缘密封材料、以及固体绝缘体，其具有比介于布线的边缘部分和密封材料之间的密封材料更大的比电感容量。

文件US 2013/0161801 A1描述了一种包括安装在DCB基底上的分立装置(discrete device)的模块及一种其制造的方法。分立装置包括一个或多个半导体芯片。可通过以封装材料覆盖半导体芯片来封装半导体芯片或半导体芯片的至少部分。进一步描述了提供硅胶，其沉积在DCB基底上并覆盖分立装置。

文件US 2013/0056883 A1描述了一种半导体装置，其包括底板、安装基底、半导体元件、支架、支架端子、壳、第一密封层和第二密封层。第一密封层在由壳包围的空间内覆盖安装基底和半导体元件。第二密封层设在由壳包围的空间内的第一密封层上，并且具有高于第一密封层的硬度的硬度。

文件EP 1 739 740 A2涉及一种功率半导体，并且更具体地，涉及一种高击穿电压半导体的模块结构，在其中已经利用高电容实现了高可靠性。详细地，描述了在功率半导体中，半导体元件和铝线之间的界面涂覆有具有导电性质的第一绝缘树脂，以改善金属线的接合寿命，使得可能改善模块的寿命。进一步描述了提供第二树脂，其设在第一树脂的顶部上。

然而，现有技术的解决方案仍然提供用于改进的空间，例如关于提供有效措施抵抗作用在功率半导体装置上的负面影响并因此关于长寿命可靠性。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种功率半导体模块，其克服了现有技术的至少一个缺点。更详细地说，本发明的一个目的在于提供一种功率半导体模块，其分别显示出高的长寿命可靠性或长期可靠性。

这些目的至少部分地由根据独立权利要求1的功率半导体模块解决。在从属权利要求中、在进一步的描述中以及在附图中给出了本发明的有利的实施例，其中除非没有明确排除，否则不同的实施例可单独或以任何组合提供本发明的特征。

本发明提供了一种功率半导体模块，包括承载至少一个功率半导体装置的支承件，其中支承件与功率半导体装置一起至少部分地位于壳体中，其中支承件和功率半导体装置至少部分地由密封材料覆盖，其中除了密封材料之外，在壳体中提供保护材料，其中保护材料由硅胶形成，并且其中保护材料至少部分地覆盖支承件、功率半导体装置和密封材料中的至少一个，其中密封材料包括至保护材料的接触区域，其中密封材料构造在所述接触区域处，其中密封材料在接触区域处由粗糙区域、至少一个突起或至少一个凹口构造。

这种功率半导体模块在内部和/或外部机械和/或电子影响方面为电子电路及其功率半导体装置提供有效且长期可靠的保护。其由此可容易地形成。

因此，本发明涉及一种功率半导体模块。功率半导体模块包括支承件，其中在本发明中包括可提供一个或多个支承件。详细地，可提供仅提供一个支承件，其承载一个或多个功率半导体装置或提供多于一个的支承件，其中每个支承件承载一个或多个功率半导体装置。这可允许功率半导体模块的简单且适应性的生产。

关于功率半导体装置，可提供的是，分别提供多个晶体管或开关装置，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置、金属氧化物半导体场效应晶体管(MosFET)、二极管、和/或类似的。

相应的一个或多个功率半导体装置可为本领域中已知的一个或多个电子电路的一部分。因此，取决于相应的实施例，支承件可包括多个电导体、如金属镀层(metallization，有时也称为金属化结构)，以及端子或连接器，其用于外部和内部连接功率半导体模块的不同部分。因此，端子或连接器位于导体上的相应位置上，如金属镀层上。

支承件可例如是基底，如例如陶瓷基底，或其可为底板，如下面将详细描述的。

进一步提供，一个或多个支承件分别与一个或多个功率半导体装置或芯片一起至少部分地位于壳体中，其中支承件和功率半导体装置至少部分地由密封材料覆盖。因此，密封材料可至少部分地覆盖功率半导体装置和支承件。这在本领域中大体上已知，并且可在外部影响方面保护功率半导体装置及其作为其一部分或至少其覆盖区域的电子电路，并且可进一步改善爬电距离。

根据如上所描述的功率半导体模块，除了密封材料之外，还提供了，在壳体中提供保护材料，其中保护材料由硅胶形成，并且其中保护材料至少部分地覆盖支承件、功率半导体装置和密封材料中的至少一个。这种布置可提供优于现有技术的显著优点，因为它在基底级以及芯片级上提供电子电路的安全保护。

这可能主要是由于以下事实：通过仅提供密封材料，各个部件通常不能被完全保护，因为可能难以确保支承件和功率半导体装置的所有期望位置或相应电子电路的其它部分由密封材料有效地覆盖。例如，如本领域中已知的那样，这可在密封材料形成为模塑化合物、如传递模塑化合物的情况下相关。这可能是例如由功率模块的实际设计引起的，因为这些仅仅已知用硅胶填充，硅胶可简单地倒入壳体中而不实质需要采取措施来确保完全填充壳体。然而，这些实际设计大体上不设有密封材料，因为该设计被优化用于倾倒和硬化保护材料，即硅胶。因此，在不显著改变模块的设计的情况下，有效地提供密封材料通常是困难的。因此，设计适应性可用于确保由密封材料的有效保护。

然而，根据本发明的功率半导体模块克服了这个缺点，因为在密封材料没有完全设在相应位置处的情况下它不再是有害的。另外的保护材料、即硅胶将解决由此产生的问题。可提供的是，壳体完全填充以硅胶，即使这不是强制性的，并且根据特定应用，仅以保护材料部分地填充壳体就可足够。结果，本发明清楚地克服了现有技术的问题，根据其，利用实际功率模块设计不提供密封材料或仅几乎不可能提供密封材料，且因此模块设计没有显著变化。

因此，尽管在改善爬电距离和/或抵抗外部影响方面显示出良好的结果，但是密封材料与由硅胶形成的保护材料组合可进一步改善以满足所需的安全要求。密封材料不同于保护材料。

在如包括IGBT装置作为功率半导体装置的功率模块中，湿度应力可能是可靠性问题的风险。例如，对于海底应用，用于提供密封材料的传递模塑技术关于耐湿性显示出有前景的结果。例如，当使用环氧模塑化合物(epoxy mould compound)(EMC)或环氧树脂作为密封材料时，可获得良好的结果。

因此，通常并且关于密封材料，可提供的是，密封材料包括例如环氧模塑化合物和环氧树脂。这些材料具有优异的性能、如高机械强度和高生产率，并且关于它们的电性能非常有效。

关于机械性能，可提供的是，密封材料的热膨胀系数(CTE)可位于≥7ppm/k至≤15ppm/K的范围内。附加地或备选地，密封材料的杨氏模量可示例性地位于≥7GPa至≤15GPa的范围内。

还可提供的是，密封材料包括填料，如来自电绝缘材料，其中填料含量可处于≥70重量%至≤95重量%的范围内，如≥80重量%至≤90重量%的范围内。通过在密封材料中提供填料，可调整和改进密封材料的机械特性以及电特性。因此，可达到针对期望需要的最佳结果。针对密封材料的填料的非限制性示例包括二氧化硅(SiO2)。

即使在密封材料显示出上述优点的情况下，然而由于功率模块封装设计，爬电距离和绝缘距离也很复杂，仅由如上所陈述的密封材料覆盖。因此，组合硅胶和诸如EMC材料的密封材料二者在抵抗外部影响的组合方面以及在爬电距离和绝缘距离方面表现出优异的结果。

例如，可实现传递模塑工艺以施加密封材料。以这种方式施加的材料可提供极好的机械稳定性以及电子绝缘性能。然而，这些材料通常难以应用以复杂的结构，从而根据该实施例，密封材料和由硅胶形成的保护材料的组合可能是非常有效的。

传递模塑工艺可在独立的晶片、基底上或甚至一旦基底已经结合(如焊接)到底板载体上来实现。可在载体上没有模塑化合物(如基底金属镀层)的开口可分别对于输出电连接或外部连接器提供，如集电极、发射器和辅助端子。由于大多数敏感区域在执行结合技术之前已经可由密封材料保护，如通过结合发射器，如在IGBT处，因此来自端子结合技术的交叉污染的问题不太重要。在端子结合之后，可灌封保护材料以使外部端子完全绝缘。

因此，功率半导体模块允许基底处理，其由于密封材料的存在而不必严格地处于洁净室环境中，这可使超声波焊接过程中的颗粒防止变得容易，例如，当在模制过程之后端子与密封材料附接时。

可提供另一种壳体布置，其即使在它们通过壳体部分与功率装置分离的情况下也能密封外部端子，如下面将描述的那样。

综上所述，与现今的解决方案相比，本发明因此采取了完全不同的方式。在现今的应用中，主要试图将硅胶完全替换密封材料，其中功率模块封装是保持主电位集电极和发射器/栅极之间的内部爬电距离的挑战。然而，根据如这里描述的功率模块，硅胶不由密封材料代替，而是两种材料组合使用，显示出改进的性能。

因此，这种功率半导体模块可在当今的标准功率模块中实现，并因此显示出极好的适用性。由于特定设计的独立性，功率半导体模块显示出非常高的设计灵活性，这增强了适用性。

密封材料与硅胶的组合还可允许改善爬电距离，以便允许不能仅通过硅胶或仅通过密封材料达到的性能。

例如，至少一个功率半导体装置或芯片的至少一个终端(termination，有时也称为端子)分别由密封材料覆盖。根据该实施例，可改善芯片或其连接器的相应的爬电距离，从而可显著改善功率半导体装置的工作性能。然而，除此之外，取决于实施例，芯片或功率半导体装置的连接区域可分别没有密封材料，从而可简化电连接功率半导体装置。终端可理解为功率半导体装置的这样的区域，其横向围绕电活性区域，主电流流过该活性区域。据此，在终端处，电场可能终止。例如，终端可包括功率半导体装置的横向边缘。

然而，在终端旁边，完全包含在本发明中的是，至少一个功率半导体装置且因此其自由区域分别由密封材料完全覆盖。因此，功率半导体装置的自由区域应意味着这些区域，这些区域在没有密封材料的情况下将自由地位于壳体中。因此，这些区域是指未由连接器等覆盖的区域。

因此，可提供的是，至少一个功率半导体装置完全嵌入密封材料中。例如可提供的是，例如根据该实施例，所述功率半导体装置至少部分地由焊线接触，即至少一些连接通过焊线实现。例如，焊线可前进至另一金属镀层，该金属镀层承载端子板。因此，根据该实施例，功率半导体装置例如与其结合位置和焊线一起完全嵌入密封材料中。根据该实施例，可非常有效地改善例如关于外部影响(如机械影响或湿度)的电子电路或其功率半导体装置的保护。因此，不仅功率半导体装置本身，而且与焊线的连接可例如嵌入密封材料中。该实施例提供了进一步的可靠性，因为此结合位置可能在易受损坏或劣化的情况下，从而可提供的是，这些位置由密封材料固定。

因此，可实现以密封材料完成的焊线和焊点的寿命增加。

还可提供的是，支承件包括没有密封材料的连接区域，其中连接区域设计用于接收端子板。如果端子板以及因此如铜电源端子的端子定位在连接区域上，则可对应地提供的是，端子板位于连接区域上，其中端子板与密封材料间隔开。换句话说，可提供的是，密封材料不分别直接接触端子板或端子。根据该实施例，可避免从如由铜形成的端子，或从其引线(如，铜引线，其看作是端子的一部分)施加机械应力到密封材料的风险。因此，可进一步改善所描述的功率半导体模块的长期可靠性。除此之外，终端的连接性得到显著改善，因为它可相对容易地连接并且没有密封材料的空间阻碍。

除此之外，如果在连接端子之前施加密封材料，端子可放置在相应的连接区域上，而没有负面影响电气电路(electrical circuit)或至少部分嵌入密封材料中的任何危险。因此，进一步简化了功率半导体模块的制造，并且进一步改善了长期可靠性。

在放置端子板之后，连接是自由的，该端子板可嵌入保护材料中。

对应地，用于分配控制信号的印刷电路板(PCB)可嵌入硅胶中，但是可不与密封材料接触。

还可提供的是，密封材料不与壳体直接接触。根据该实施例，可避免壳体和密封材料之间的热应力，其可能由于不同的热膨胀系数而出现。因此，该实施例另外如期望那样改善了所描述的功率半导体模块的长期可靠性。

密封材料和壳体之间的区域可配备有硅胶。

进一步提供，密封材料包括与保护材料的接触区域，其中密封材料构造在所述接触区域处。该结构例如位于密封材料的远离功率半导体装置的一侧处。因此，保护材料与密封材料直接接触，其中保护材料分别至少部分地在结构化位置或区域处与密封材料接触。

该实施例一方面可机械地改善长期可靠性，因为该结构可改善保护材料即硅胶在密封材料处的粘附性。除此之外，可改善相应的爬电距离，从而可进一步改善根据该实施例的功率半导体模块的工作特性。

接触区域可设有粗糙表面，其中与完全光滑的表面相比改善了表面区域。因此，根据本发明的粗糙区域可为分别不光滑或不平坦的任何表面。除此之外，且例如，接触区域可分别包括突起或凸起，如裂口(rip)，其进入壳体的内部空间并因此进入保护材料，并且例如沿远离功率半导体装置的方向对齐。此外，结构可包括凹口，如凹槽等。就此而言，可仅提供一个凹口和/或仅一个凸起，或可提供多个凹口和/或多个凸起。

因此，可提供的是，密封材料通过粗糙区域、至少一个凸起或至少一个凹口构造在接触区域处。

还可提供的是，功率半导体装置通过压配合连接器(press-fit connector)电连接，例如在其上侧处并且因此在发射器触头处。根据该实施例，可容易地实现电连接功率半导体装置。此外，放置密封材料可能非常容易。这可能是由于在分别施加密封材料和保护材料时不必考虑焊线或其它连接的事实。与此相反，压配合连接器可按压到功率半导体装置的上侧并且因此可保护装置。然后可提供的是，密封材料与压配合触头间隔开或密封材料与其接触。

还可提供的是，支承件包括例如由陶瓷材料形成的基底。取决于相应的实施例，此实施例可为有利的。在该实施例的情况下，可提供的是，基底的自由区域完全由密封材料覆盖。自由区域例如应指基底的主要材料、如陶瓷材料的此区域，其未由另外的材料或层覆盖，如通过金属镀层或焊料等。该实施例可进一步改善爬电距离并因此改善绝缘性能。

还可提供的是，壳体由T形构成。换句话说，壳体可包括凸起，如肋，其前进到壳体的内部容积中并因此分别与保护材料或硅胶接触。该实施例可改善爬电距离并且因此可改善电子特性并因此改善功率半导体模块的工作特性。

关于功率半导体模块的其它优点或特征，参考附图以及附图的描述。

附图说明

本发明的这些和其它方面将参照下文所描述的实施例清楚和阐明。

在图中：

图1示出了到功率半导体模块的一个实施例的一部分上的示意图；

图2示出了到功率半导体模块的另一实施例的一部分上的示意图；

图3示出了到功率半导体模块的另一实施例的一部分上的示意图；

图4示出了到功率半导体模块的另一实施例的一部分上的示意图；以及

图5示出了到功率半导体模块的一个实施例的一部分上的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考一个示例性实施例，其在图中示出。该示例借助于解释来提供，且不意味着限制。本公开旨在包括进一步的修改和变化。

在以下附图的描述内，相同的参考标号表示相同的构件。大体上，仅描述关于各个实施例的差异。当若干相同的项目或部分出现在图中时，并非所有部分都具有参考标号，以便于简化外观。

图1至5示出了功率半导体模块10的相应的实施例。

参照根据图1和2的实施例，功率半导体模块10包括支承件12，该支承件12承载至少一个未示出的功率半导体装置14。根据图1，支承件12包括可由陶瓷材料形成的基底。支承件12位于底板16上并通过焊料18的层附接至其。

支承件12与功率半导体装置14一起至少部分地位于壳体20中。进一步示出，支承件12和功率半导体装置14至少部分地由密封材料22覆盖。根据图1，功率半导体装置14完全嵌入在密封材料22中，例如与相应的焊线或类似的连接一起，使得它们不可见。

此外，除了密封材料22之外，保护材料24设在壳体20中。密封材料22可由环氧模塑化合物形成，而保护材料24由硅胶形成。可进一步看出，保护材料24至少部分地覆盖支承件12、功率半导体装置14和密封材料22中的至少一个。密封材料22可例如提供极好的防潮保护。

图进一步示出密封材料22包括与保护材料24的接触区域26，其中密封材料22构造在所述接触区域26处。详细地，示出了密封材料22通过一个或多个凸起28构造在接触区域26处。

可进一步看出，支承件12包括与密封材料22的接触区域30，其中支承件12构造在所述接触区域30处。详细地，示出了支承件12包括凸起32和凹口34。

除此之外，图示出壳体20由T形形成，其中形成凸起36、如肋，其进入壳体20的内部容积中并且与保护材料24接触。

可进一步看出，提供了端子38，其可连接到连接区域40，该连接区域40可将端子38连接到功率半导体装置。连接区域40可为支承件12的金属镀层的一部分，如陶瓷基底的金属镀层。

图2示出了与图1相比类似的实施例，其中左和右密封材料22不包含作为结构的突起28。

图3至5更详细地示出了功率半导体模块10的另外的实施例。

图3示出了功率半导体模块10，在其中形成为陶瓷基底的支承件12借助于焊料18位于底板16上。支承件12或陶瓷基底分别在如支承件12的陶瓷层和焊料18的主层和不同的前侧金属镀层44,46之间设有背侧金属镀层42。关于前侧金属镀层44,46和背侧金属镀层42的表达，这里使用这样的表达来区分两个相对存在的电极，并且不意味着电极的绝对位置。

金属镀层44经由焊料48分别承载功率半导体装置14或芯片，其经由焊线50连接到金属镀层46。进一步连接到金属镀层46的是具有其端子板39的端子38。

可看出，功率半导体装置14与其终端15一起完全嵌入密封材料22中，与焊线50一起，而金属镀层46承载没有密封材料22的连接区域40，用于放置分别带有其端子板39或端子脚的端子38。因此，端子38和端子板39与密封材料22隔开，并因此不与其接触。

图4示出了功率半导体模块10，在其中形成为陶瓷基底的支承件12借助于焊料18位于底板16上。支承件12经由焊料48分别承载功率半导体装置14或芯片。功率半导体装置14通过压配合触头54接触，以形成压配合连接。压配合触头54连接到发射器板52。可进一步看出，提供了密封材料22，其分别覆盖芯片或功率半导体装置14的终端15，以及形成为陶瓷基底的支承件12的自由区域。

图5示出了功率半导体模块10，在其中支承件12形成为底板16。分别位于支承件12上的是功率半导体装置14或芯片，其通过焊料18固定。再次，功率半导体装置14通过压配合触头54接触，以形成压配合连接。压配合触头54连接到发射器板52。可进一步看出，提供了密封材料22，其分别覆盖芯片或功率半导体装置14的终端15。

必须注意的是，对应于右侧，密封材料可设在压配合触头54的左侧处。

尽管附图和前述描述中详细示出和描述了本发明，但此图示和描述应认作是示范性的或示例性的，且不是限制性的；本发明不限于公开的实施例。公开的实施例的其它变型可由本领域的技术人员在实践要求保护的方法中，从附图、公开内容和所附权利要求的研究中理解和实现。在权利要求中，词语“包括”并未排除其它元件或步骤，且不定冠词“一个”或“一种”并未排除多个。某些措施在相互不同的从属权利要求中叙述的事实并不表示这些措施的组合不可有利使用。权利要求中的任何参考符号不应当看作是限制范围。

参考符号列表

10 功率半导体模块

12 支承件

14 功率半导体装置

15 终端

16 底板

18 焊料

20 壳体

22 密封材料

24 保护材料

26 接触区域

28 凸起

30 接触区域

32 凸起

34 凹口

36 凸起

38 端子

39 端子板

40 连接区域

42 金属镀层

44 金属镀层

46 金属镀层

48 焊料

50 焊线

52 发射器板

54 压配合触头。