功率半导体模块的制作方法

本技术涉及功率电子器件领域。具体地，本技术涉及一种功率半导体模块以及一种制造这种功率半导体模块的方法。

背景技术：

1、为了简化功率半导体模块的组装过程，可以使用端子块。这种端子块可以是预加工部件，其包括嵌入到共同的树脂体中的若干端子以形成构建块。处理这种端子块可能比处理若干单个端子要容易得多。

2、端子块通常由热塑性树脂在注塑成型工艺中模制而成。热塑性树脂可以填充有玻璃纤维以提高树脂材料的机械强度。尽管注塑成型工艺可能比较容易执行，但热塑性材料的使用可能在热和热机械行为方面存在一些缺点。即使填料含量为30％，在热塑性材料的热膨胀和端子材料(例如铜或铜合金)的热膨胀之间也可能有严重的失配。此外，热塑性材料可能在潮湿环境中变得不稳定，尤其在高温下。由于热塑性材料通常具有比较低的玻璃化转变温度，热塑性树脂和端子之间热膨胀系数(cte)的失配可能变得相当重要。此外，在高温下可能发生热塑性树脂的热分解。

3、ep 0 791 961 a2示出了一种具有树脂外壳的功率半导体模块，其中端子通过整体成型而被集成。

4、jp 2011-060800 a示出了一种端子块结构，该端子块结构由两个端子组成，两个端子被一个或两个电绝缘层隔开。这整个结构被嵌入树脂中。

技术实现思路

1、本实用新型的一个目的是提供一种具有端子块的功率半导体模块，其结合了制造简单和热稳定性这两个优点。

2、该目的通过独立权利要求的主题来实现。进一步的示例性实施例从从属权利要求和以下描述中是清楚的。

3、通过用热固性树脂而不是热塑性树脂模制端子块，端子块的热机械性能可以被提高。示例性地，树脂材料的cte与端子材料的cte之间的失配可以被显著降低，这可以降低热机械应力，并从而延长功率半导体模块的寿命。例如，树脂材料的cte可以通过添加适量的适当填料材料来调整。例如，用于转移成型的标准模制合成物可能具有高达90％的填料含量。此外，热固性树脂的玻璃化转变温度高于热塑性树脂的玻璃化转变温度。因此，即使在高温下，热固性树脂的cte也可以保持在适中的水平。此外，热固性树脂在潮湿环境中可能更稳定，且不易热分解。最后，使用热固性树脂的转移成型提供了制造比较薄的结构的可能性。

4、简而言之，通过使用热固性树脂作为模塑料来模制端子块，通过相应地调整填料材料和含量可以轻易地调整基体材料的cte以及热导率。填料材料还可以包括纤维以机械增强热固性树脂。此外，端子块对热、潮湿和有害气体的稳定性可以被提高。由于端子块的不同材料之间较低的热失配，端子块可能具有明显更长的寿命。

5、本实用新型的第一方面涉及一种功率半导体模块。该功率半导体模块包括具有端子区域的衬底、至少一个功率半导体芯片、以及嵌入在热固性聚合物中的至少两个端子，该芯片可以被键合到衬底并电连接到端子区域，该热固性聚合物形成端子块。该端子块暴露出每个端子的端部，用于电连接该端部。每个端子的端部被连接(例如键合)到端子区域。例如，该端部可以被直接键合到衬底。或者，该端部可以通过引线键合被连接到衬底和/或功率半导体芯片。

6、例如，端子块可以暴露出端子中的每一个的第一端部和第二端部，其中第一端部可以附接到端子区域并且第二端部可以沿着端子块的外表面延伸。第二端部也可以从外壳竖直延伸。

7、此外，端子中的至少一个可以具有从端子块突出的脚，其中该脚可以连接到(例如键合)到端子区域。脚可以是连接到端子区域的端子的端部。通常，脚可以被视为端子的突出部分。换言之，脚和端子可以由相同的材料一体制成。

8、应注意到，端子区域可以由若干部分组成，这些部分与一个或多个半导体芯片的不同部分电连接。

9、通常，半导体模块可以是由一个或多个半导体芯片、其电气和机械互连以及这些组件的外壳组成的任何装置。功率半导体模块可以用于各种功率电子应用以切换或整流电流。如“功率半导体模块”和上文和下文提到的类似实例中的术语“功率”可以指代适用于处理超过100v和/或超过10a的电流的模块和/或半导体芯片。

10、功率半导体芯片可以基于硅(si)和/或碳化硅(sic)和/或可以提供一个或多个半导体元件，例如二极管和/或固态半导体开关。这种开关可以是晶体管、晶闸管、绝缘栅双极晶体管(igbt)或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。

11、功率半导体模块可以包括具有开关的半导体芯片，以及具有二极管的半导体芯片，该二极管经由金属化层的导体反并联连接到开关。此外，功率半导体模块可以包括由开关和二极管的这种组合构成的一个或多个半桥。

12、一个或多个功率半导体芯片和端子的相应端部可以连接(例如键合)到衬底。键合可以指钎焊、烧结和焊接，例如超声波焊接。

13、功率半导体模块可以具有用于将直流和交流负载电流连接到外部母线的多个电端子。除了这些电源端子外，功率半导体模块还可以具有辅助端子，例如用于控制模块中的半导体芯片的栅极，这些辅助端子可以连接到外部栅极驱动电路板。辅助端子也可以是智能功率模块的辅助发射极、辅助集电极或信号端子。端子可以由铜或铜合金制成。可选地，端子可以至少部分地涂覆有金属化层，例如镍层。

14、衬底可以承载功率半导体芯片并且可以提供电和热接触以及电绝缘。衬底可以是电绝缘材料(例如塑料或陶瓷)的板，其在一侧或两侧上覆盖有金属化层。金属化层可以被构造成提供可以连接功率半导体芯片的电导体。

15、端子区域可以由衬底的一个或多个导电部分制成。例如，端子区域可以包括所述金属化层的一部分并且可以经由金属化层电连接到功率半导体芯片。附加地或替代地，端子区域可以用夹子或通过引线键合电连接到功率半导体芯片。

16、热固性聚合物，也称为热固性树脂或热固性塑料，可以是通过对软固体或粘性液体预聚物或树脂进行固化而不可逆地硬化的聚合物。固化可以由热辐射或合适的辐射引发，并且可以通过高压或与催化剂混合来促进。这种固化的结果可能是由化学交联的聚合物链组成的不熔和不溶的聚合物网络。例如，热固性聚合物可以是环氧树脂。

17、热固性聚合物还可以包括一种或多种填充材料。因此，术语“热固性聚合物”也可以理解为热固性聚合物和一种或多种填充材料的混合物。通常，填充材料可以以颗粒提供，例如珠子和/或纤维。

18、端子块可以通过转移成型产生。热固性聚合物可以至少包围端子的中心部分。每个端子的一端或两端不能用热固性聚合物封闭，以便可从端子块外部接触到它们。此外，当与衬底和/或与功率半导体模块的基板结合时，端子块可以限定一个或多个腔体。例如，腔体可以用凝胶填充。端子块还可以被配置为用于将端子脚和/或端部钎焊或焊接到衬底的固定装置，这可以允许更准确地定位端子。

19、根据本实用新型的一个实施例，功率半导体模块还可以包括外壳和基板。衬底和外壳可以被附接到基板。外壳可以至少部分地覆盖衬底。

20、例如，外壳可以通过转移成型或注塑成型模制而成。外壳可以完全覆盖功率半导体芯片、端子区域和/或电互连功率半导体芯片和端子区域的导体。而且，外壳可以完全覆盖衬底。外壳可以包括框架形式的边界部分，其可以沿着衬底的边界和/或基板的边界延伸。外壳也可以制成具有至少一个开口以访问外壳内的部件。一个或多个开口可以用合适的盖子覆盖。例如，盖子可以由与外壳的其余部分不同的材料制成。

21、例如，基板可以是金属板或者由诸如alsic或mgsic的复合材料制成。基板可以与功率半导体芯片相对地附接到衬底。例如，基板可以用作冷却板。

22、根据一个实施例，功率半导体模块还可以包括外壳。外壳可以附接到衬底并且可以至少部分地覆盖衬底。

23、根据本实用新型的一个实施例，端子块和外壳可以由相同的材料(即热固性聚合物) 一体制成。或者，端子块和外壳可由两件或多件制成，其中端子块可以包括外壳的一个或多个部分。换言之，端子块和外壳可以都通过转移成型由相同的热固性聚合物模制而成。端子可以至少部分地穿过模制件的边界部分。这可以简化功率半导体模块的制造。

24、根据本实用新型的一个实施例，端子块和外壳由不同的材料制成。此外，端子块和外壳可以作为不同材料的独立部件来实现。例如，外壳可以由热塑性聚合物通过注塑成型模制而成。端子块可以附接到外壳和/或基板。这样做的好处是，端子块可以独立于外壳提供。例如，外壳可以包括一个或多个安装区域以在功率半导体模块的组装期间安装端子块，示例性地用于在端子键合到端子区域时固定端子。

25、此外，端子块和/或外壳不管由什么材料制成，都可以具有连接元件，例如停止位置或凹口，这可以简化端子块和外壳的组装。

26、根据本实用新型的一个实施例，外壳的一部分可以由热塑性聚合物形成。例如，外壳可以包括用于覆盖外壳的开口的可移除盖子。盖子可以由热塑性聚合物制成。可选地，外壳的另一部分可以由热固性聚合物形成为端子块。通过该实施例，制造成本可以被降低。

27、根据本实用新型的一个实施例，热固性聚合物具有至少50％的填料含量。换言之，用于模制端子块的模制合成物的至少50％可以是添加到热固性聚合物基质中的颗粒。示例性地，热固性聚合物通常可以具有至少60％至90％的填料含量。通常，用于填充热固性聚合物的填料材料可以是颗粒和/或纤维形式的矿物或玻璃基材料。通过该实施例，热固性聚合物的cte可以被显著降低。

28、根据本实用新型的一个实施例，热固性聚合物具有与端子材料的热膨胀系数相适应的填料含量。例如，可以调整填料含量，使得包括热固性聚合物基质的模制合成物的cte与端子的cte之间的差异为25％或更小。

29、根据本实用新型的一个实施例，热固性聚合物可以包括以下材料中的至少一种：玻璃纤维、碳纤维、熔融石英、环氧硅烷、氨基硅烷、二氧化硅、金属氧化物、氧化锑、磷酸盐酯、溴化环氧树脂、铋、颜料。例如，环氧硅烷和/或氨基硅烷可以用作粘合促进剂。可以通过添加二氧化硅作为填料来提高端子块的介电强度。端子块的相对漏电起痕指数 (cti)可以通过添加金属氧化物如氧化铁、氧化镁或氧化铝来调整。此外，可以添加磷盐酸酯、氧化锑和/或溴化环氧树脂作为阻燃剂以防止或减缓着火的发展。可以添加铋作为离子捕获剂。可以添加颜料为端子块着色。

30、附加地或替代地，两个端子中的至少一个可以至少部分地涂覆有金属化层，例如镍。

31、根据本实用新型的一个实施例，端子块可以包括至少一个螺纹嵌件并且暴露出端子中的至少一个的第一端部和第二端部。第一端部可以连接(例如键合)到端子区域。第二端部可以沿着端子块的外表面延伸并且具有与螺纹嵌件相对的开口。例如，当端子块通过转移成型形成时，螺纹嵌件可以被嵌入到热固性聚合物中。螺纹嵌件可被视为嵌入式螺母。通过该实施例，电接触元件(诸如外部母线)可以被容易且牢固地连接到功率半导体模块。

32、根据本实用新型的一个实施例，端子块可以包括肋结构以增加端子之间的爬电长度。端子块表面上的污垢、污染、盐和示例性的水可能会在其上形成导电路径，导致泄漏电流和闪络。通常，肋结构可以被视为一种结构，其形状可使沿端子块表面的爬电距离最大化并且使这些漏电流最小化。为了实现这一点，肋结构可以包括彼此相邻布置的一个或多个肋和凹部。通常，肋结构可以被视为一个波纹或一系列波纹。

33、根据本实用新型的一个实施例，至少两个端子包括电源端子和辅助端子中的至少一个。电源端子可以是适于传导负载电流通过功率半导体模块的端子。辅助端子可适于传导感测和/或控制信号。端子块也可以仅包括电源端子或仅包括辅助端子。

34、根据本实用新型的一个实施例，端子区域包括电源端子区域和辅助端子区域中的至少一个。端子区域可以是电源端子区域，其可以电连接到功率半导体芯片的负载电极或功率电极，例如集电极或发射极。辅助端子区域也可以电连接到半导体芯片的栅极。辅助端子区域的面积可以小于电源端子区域的面积。另外，辅助端子的区域可以连接到衬底上的金属化层的区域。

35、根据本实用新型的一个实施例，功率半导体模块还可以包括具有辅助端子区域的电路板，以及至少一个嵌入端子块的热固性聚合物中的辅助端子。端子块可以暴露出辅助端子的端部。辅助端子的端部可以连接(例如键合)到电路板上的辅助端子区域。例如，辅助端子的端部可以直接键合到栅极驱动器板。辅助端子的端部的结构可以类似于电源端子的第二端部的结构。例如，电路板可以是栅极驱动器板或仅用于互连目的。因此，辅助端子区域可以电连接到功率半导体芯片的栅电极。辅助端子可以适于传输辅助信号，例如用于控制栅极驱动器。然而，辅助端子区域和/或另外的辅助端子区域也可以位于衬底上。例如，嵌入端子块中的辅助端子可以直接键合到衬底本身上的相应金属化图案和/ 或电路板上。电路板可以位于功率半导体模块的外壳内部或外部。

36、根据本实用新型的一个实施例，端子块可以暴露出辅助端子的另一端部。辅助端子的另一端部可以连接到衬底，例如，连接到衬底的辅助端子区域，和/或功率半导体芯片。例如，另一端部可以通过引线键合或直接键合到衬底和/或功率半导体芯片。

37、本实用新型的另一方面涉及一种制造功率半导体模块的方法。该方法包括以下步骤：提供具有端子区域和至少一个功率半导体芯片的衬底，该功率半导体芯片可以被键合到衬底，并且可以电连接到端子区域，通过将至少两个端子嵌入热固性聚合物中形成端子块，其中端子块暴露出端子中的每一个的端部，以及将端子中的每一个的端部连接(例如键合)到端子区域。

38、该形成可以以转移成型工艺进行。转移成型以及之后在惰性气氛(例如氮气)下的固化可有利于避免端子区域的氧化。

39、取决于用于将端子连接到端子区域的工艺，可以在形成之前或之后对端子和/或端子区域进行选择性的或完全的电镀。

40、必须理解，如上文和下文所述的功率半导体模块的特征可以是如上文和下文所述的方法的特征。

41、本实用新型的这些和其他方面将从下文描述的实施例中变得清楚并且得到阐明。