功率半导体模块装置及其制造方法与流程

1.本公开内容涉及一种功率半导体模块装置和一种用于制造这种功率半导体模块装置的方法。


背景技术：

2.功率半导体模块装置通常包括位于外壳内的底板(base plate)。至少一个衬底布置在底板上。包括多个可控半导体元件(例如，半桥配置中的两个igbt)的半导体装置被布置在至少一个衬底中的每一个上。每个衬底通常包括衬底层(例如陶瓷层)、沉积在衬底层的第一侧上的第一金属化层以及沉积在衬底层的第二侧上的第二金属化层。例如，在第一金属化层上安装可控半导体元件。第二金属化层通常通过焊料层或烧结层附着到底板。通常通过焊料层或烧结层将可控半导体元件安装到第一金属化层。
3.衬底层、金属化层、焊料层或烧结层、以及可控半导体元件通常具有不同的cte(热膨胀系数)。当在半导体装置的操作期间产生热量时，并且当不同部件随后再次冷却时，不同材料(例如，铜、铝、焊料)的cte之间的差异可能导致衬底层中的不期望的裂纹。这种裂纹可以从其上安装第一金属化层的第一表面到其上安装第二金属化层的第二表面延伸穿过整个衬底层。这可能对功率半导体模块的操作产生不利影响，并且在最坏的情况下甚至导致功率半导体模块装置的完全故障。
4.需要一种减少或甚至避免上述缺点以及其他缺点的功率半导体模块装置、以及一种允许制造具有提高的性能和可靠性的功率半导体模块装置的方法。


技术实现要素：

5.一种功率半导体模块装置包括：衬底，包括电介质绝缘层和附着到电介质绝缘层的第一金属化层；至少一个半导体主体，安装在第一金属化层上；以及第一层，包括密封剂，第一层布置在衬底上并且覆盖第一金属化层和至少一个半导体主体，其中，第一层被配置为在超过定义的阈值温度的温度下释放液体或油。
6.一种方法包括：将至少一个半导体主体布置在衬底上，衬底包括电介质绝缘层和附着到电介质绝缘层的第一金属化层；以及在衬底上形成第一层，第一层覆盖第一金属化层和至少一个半导体主体，第一层包括密封剂，其中，第一层被配置为在超过定义的阈值温度的温度下释放液体或油。
7.参考以下附图和说明书可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定是按比例的，相反重点在于说明本发明的原理。此外，在附图中，相同的附图标记在所有不同的视图中表示相应的部件。
附图说明
8.图1是功率半导体模块装置的截面图。
9.图2是有缺陷的功率半导体模块装置的截面图。
10.图3示意性地示出了根据一个示例的功率半导体模块装置的截面图。
11.图4示意性地示出了根据一个示例的由密封剂封闭的衬底的截面图。
12.图5示意性地示出了图4的衬底的细节。
13.图6示意性地示出了根据另一示例的功率半导体模块装置的截面图。
具体实施方式
14.在以下具体实施方式中，参考了附图。附图示出了可以实施本发明的具体示例。应当理解，除非另外特别指出，否则关于各种示例描述的特征和原理可以彼此组合。在说明书以及权利要求书中，将特定元件标识为“第一元件”、“第二元件”、“第三元件”等不应理解为是列举性的。相反，这样的名称仅用于称呼不同的“元件”。即，例如，“第三元件”的存在不一定需要“第一元件”和“第二元件”的存在。本文所述的电线或电连接可以是单个导电元件，或者包括串联和/或并联连接的至少两个单独的导电元件。电线和电连接可以包括金属和/或半导体材料，并且可以永久导电(即，不可切换)。如本文所述的半导体主体可以由(掺杂的)半导体材料制成，并且可以是半导体芯片或者被包括在半导体芯片中。半导体主体具有可电连接的焊盘，并且包括具有电极的至少一个半导体元件。
15.参考图1，示出了功率半导体模块装置100的截面图。功率半导体模块装置100包括外壳7和衬底10。衬底10包括电介质绝缘层11、附着到电介质绝缘层11的(结构化)第一金属化层111、以及附着到电介质绝缘层11的(结构化)第二金属化层112。电介质绝缘层11设置在第一金属化层111和第二金属化层112之间。
16.第一金属化层111和第二金属化层112中的每一个可以由以下材料之一组成或包括以下材料之一：铜；铜合金；铝；铝合金；在功率半导体模块装置的操作期间保持固态的任何其他金属或合金。衬底10可以是陶瓷衬底，即，其中电介质绝缘层11是陶瓷的衬底，例如薄陶瓷层。陶瓷可以由以下材料之一组成或包括以下材料之一：氧化铝；氮化铝；氧化锆；氮化硅；氮化硼；或任何其他电介质陶瓷。可替换地，电介质绝缘层11可由有机化合物组成，并包括以下材料中的一种或多种：al2o3、aln、sic、beo、bn或si3n4。例如，衬底10可以是例如直接铜接合(dcb)衬底、直接铝接合(dab)衬底或活性金属钎焊(amb)衬底。此外，衬底10可以是绝缘金属衬底(ims)。绝缘金属衬底通常包括电介质绝缘层11，其例如包括(填充的)材料，例如环氧树脂或聚酰亚胺。例如，电介质绝缘层11的材料可以填充有陶瓷颗粒。这种颗粒可以包括例如si2o、al2o3、aln、sin或bn，并且可以具有约1μm至约50μm的直径。衬底10也可以是具有非陶瓷电介质绝缘层11的常规印刷电路板(pcb)。例如，非陶瓷电介质绝缘层11可以由固化树脂组成或包括固化树脂。
17.衬底10布置在外壳7中。在图1所示的示例中，衬底10布置在形成外壳7的底面的底板80上，而外壳7本身仅包括侧壁和盖。在一些功率半导体模块装置100中，多于一个的衬底10被布置在同一底板80上并且在同一外壳7内。底板80可以包括金属材料(例如铜或alsic)层。然而，其他材料也是可能的。
18.一个或多个半导体主体20可以布置在至少一个衬底10上。布置在至少一个衬底10上的每个半导体主体20可以包括二极管、igbt(绝缘栅双极晶体管)、mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)、jfet(结型场效应晶体管)、hemt(高电子迁移率晶体管)或任何其他合适的半导体元件。
19.一个或多个半导体主体20可以在衬底10上形成半导体装置。在图1中，仅示例性地示出了两个半导体主体20。图1中的衬底10的第二金属化层112是连续层。根据另一示例，第二金属化层112可以是结构化层。根据其他示例，第二金属化层112可以被完全省略。在图1所示的示例中，第一金属化层111是结构化层。此上下文中的“结构化层”意味着相应的金属化层不是连续层，而是包括在层的不同部分之间的凹槽。图1中示意性地示出了这种凹槽。在该示例中，第一金属化层111包括三个不同的部分。不同的半导体主体20可以安装到第一金属化层111的同一或不同部分。第一金属化层111的不同部分可以不具有电连接，或者例如可以使用诸如接合线之类的电连接3而电连接到一个或多个其他部分。半导体主体20可以例如使用电连接3彼此电连接或者电连接到第一金属化层111。代替接合线，电连接3也可以包括例如接合带、连接板或导电轨，这仅举了几个示例。一个或多个半导体主体20可以通过导电连接层60电连接和机械连接到衬底10。例如，这种导电连接层60可以是焊料层、导电粘合剂层或烧结金属粉末(例如，烧结银(ag)粉末)层。
20.图1中所示的功率半导体模块装置100还包括端子元件4。端子元件4提供外壳7的内部和外部之间的电连接。端子元件4可以利用第二端42电连接到第一金属化层111，而端子元件4的第一端41突出到外壳7之外。可以在端子元件4的第一端41处从外部电接触端子元件4。
21.将端子元件4布置在衬底10的中心仅是一个示例。根据其他示例，端子元件4可以被布置成更靠近或邻近外壳7的侧壁。端子元件4的第二端42可以通过导电连接层(图1中未具体示出)电连接和机械连接到衬底10。例如，这种导电连接层可以是焊料层、导电粘合剂层或烧结金属粉末(例如，烧结银(ag)粉末)层。可替换地，端子元件4也可以通过超声焊接耦接到衬底。
22.功率半导体模块装置100还可以包括密封剂5。例如，密封剂5可以由硅凝胶组成或包括硅凝胶，或者可以是刚性模制化合物。密封剂5可以至少部分地填充外壳7的内部，从而覆盖布置在衬底10上的部件和电连接。端子元件4可以部分地嵌入在密封剂5中。然而，至少它们的第一端41没有被密封剂5覆盖，并且从密封剂5穿过外壳7突出到外壳7的外部。密封剂5被配置为保护功率半导体模块装置100的部件和电连接，尤其是布置在外壳7内部的部件，免受某些环境条件和机械损坏的影响。通常也可以省略外壳7，而仅用密封剂5保护衬底10和安装在其上的任何部件。在这种情况下，密封剂5可以例如是刚性材料。
23.在功率半导体模块装置100的使用期间，导电连接层60、电介质绝缘层11、第一金属化层111和第二金属化层112可以被加热到特定程度。这是因为功率半导体模块装置100的至少一些半导体主体20通常在功率半导体模块装置100的操作期间执行多个开关操作。例如，当在短时间段内执行许多开关操作时，半导体主体20产生热量，在最坏的情况下，这可能使温度升高到特定最大阈值以上。在功率半导体模块装置100的操作期间产生的热量通常从半导体主体20散发到衬底10，并且进一步通过底板80散发到散热器82。导热层64通常布置在底板80和散热器82之间。
24.温度升高可能导致在电介质绝缘层11中形成裂纹。图2中示意性地示出了电介质绝缘层11中的这种裂纹90。可能形成裂纹的一个原因是在于以下事实：第一金属化层111、电介质绝缘层11、第二金属化层112、导电连接层60和半导体主体20的材料通常具有不同的热膨胀系数。即，当受热时，不同的材料膨胀到不同的程度。当材料随后再次冷却时，同样如
此。
25.电介质绝缘层11中的裂纹可能不利地影响功率半导体模块装置100的操作，或者甚至可能导致功率半导体模块装置的完全故障。裂纹90可能降低电介质绝缘层11的绝缘特性。例如，裂纹可以从其上布置第一金属化层111的第一表面到相对的其上布置第二金属化层112的第二表面一直延伸穿过电介质绝缘层11。裂纹经常出现在电介质绝缘层11的被布置成靠近金属化层111、112的不同部分的边缘的那些区域中。例如，在图2所示的示例中，裂纹90形成在电介质绝缘层11的布置在第一金属化层111的两个不同部分之间的凹槽下方的区域中。这样，可以在通常为电介质绝缘的电介质绝缘层11中形成导电路径。即，在电介质绝缘层11中可能出现泄漏电流，从而导致不期望的短路。
26.现在参考图3，示例性地示出了根据一个示例的功率半导体模块装置100。功率半导体模块装置100的一般结构对应于如上文已经关于图1描述的功率半导体模块装置100。然而，图3的功率半导体模块装置的密封剂5不同于如图1中所示的功率半导体模块装置100的密封剂5。第二材料(例如，添加剂或填料)52可以分布在密封剂5内。图3的功率半导体模块装置100的密封剂5或者特别地第二材料52在高于特定阈值温度的温度下液化。例如，阈值温度可以是120℃。然而，也有可能密封剂5在较低或较高的温度下液化。即，当半导体主体20或功率半导体模块装置100的任何其他部件受热而在阈值温度以上时，直接邻接相关部件的区域中的密封剂5也会受热，并且随后可以在相关区域中至少部分液化。密封剂5在相关区域至少释放一定量的液体。半导体主体20或其他部件的温度通常不会持续足够长的时间来使得所有的密封剂5受热。甚至进一步地，热量可能仅在有限的区域中产生。即，密封剂5将在直接围绕受热部件的限定区域中不完全液化，而是仅部分液化。
27.如果由于高温而在电介质绝缘层11中形成裂纹90，则释放的液体可以流入裂纹90中，从而用电介质绝缘材料填充裂纹90。这样，任何不想要的导电路径可以被密封剂5的材料密封。这在图4和图5中被示意性地示出，图4和图5更详细地示出了具有形成在其中的裂纹90的电介质绝缘层11的相关部分。图5更详细地示出了图4的细节a。密封剂5的液化在图4和图5中用液滴表示。一旦相关的部件和密封剂5再次冷却，从密封剂5释放的材料就保留在裂纹90中，从而永久地密封裂纹90。这样，即使在电介质绝缘层11中确实形成裂纹90，功率半导体模块装置100的寿命也可显著增加。
28.如上文已经描述的，密封剂5可以包括硅树脂。密封剂5可以包括以下性质中的至少一个。密封剂5例如可以包括大量的液体。根据一个示例，密封剂5包括至少55重量％或至少60重量％的液体。然而，其他值也是可能的。在将硅凝胶填充到外壳7中并使其固化之前，通过将非反应性硅油52添加到硅凝胶(密封剂5)中，可以获得大量的液体。在固化密封剂5之后，非反应性组分(例如硅油)可以保留在密封剂5中。非反应性硅油52可以均匀地分布在密封剂5的材料内。密封剂5的任何液体成分52可以在高于定义的阈值温度的温度(例如，高于120℃)下释放。根据另一个示例，可以将硅树脂珠52添加到硅凝胶5中，其中硅树脂珠52在等于或高于期望温度(例如，120℃)的温度下熔化。也可以将相变材料珠52添加到密封剂5，其中相变材料珠在等于或高于期望温度(例如120℃)的温度下液化。
29.密封剂5可以具有例如至少16kv/mm或至少17kv/mm的介电强度。然而，介电强度的其他值也是可能的。密封剂5的介电强度可以取决于在操作期间在功率半导体模块装置100中出现的电流。密封剂5例如还可以具有至少2*10
15
ωcm或至少2.5*10
15
ωcm的电阻率
(specific resistance)。然而，电阻率可以根据具体应用以及在操作期间在功率半导体模块装置100中出现的电流和电压而变化。从密封剂5释放的液体或油的粘度可以低于1mpas。在室温下从密封剂5释放的液体或油的表面张力可以小于25mnm-1
。
30.如上面关于图3至图5所述的密封剂5可以与图1的功率半导体模块装置100中使用的常规密封剂5以相同的方式形成。即，在组装功率半导体模块装置100的部件之后并且在完全闭合和密封外壳7之前，可以将密封剂5填充到外壳7中以覆盖衬底10和安装在其上的不同部件。在将密封剂填充到外壳7中之前，第二材料52可以均匀地分布在密封剂5内。随后可以将密封剂5硬化到一定程度。通常，当密封剂5被填充到外壳7中时，密封剂5具有液体或凝胶状质地。可以通过至少部分地固化密封剂5而使密封剂5硬化到一定程度。即，在密封剂5的成分之间形成化学键或连接。为了实现这一点，例如可以加热密封剂5。
31.如上文关于图3已经描述的，第二材料52(例如，硅油、硅树脂珠、相变材料珠)可以均匀地分布在整个密封剂5中。即，可以形成包括密封剂5和第二材料52两者的单层以覆盖衬底10和安装在其上的部件。然而，这仅仅是一个示例。
32.如图6中示例性地示出的，还可以形成与衬底10相邻的第一层502。第一层502包括密封剂5和第二材料52两者，并且覆盖衬底10和安装在其上的部件。然而，第一层502可以相对较薄。第二层504可以形成在第一层502上，使得第一层502布置在第二层504和衬底10之间。第二层504可以仅包括密封剂5而不包括第二材料52。通常仅在密封剂5的靠近衬底10布置的那些部分中需要第二材料52，以便能够填充任何不想要的裂纹90。然而，在密封剂5的远离衬底10布置的部分中，第二材料52不是必需的。