用于半导体功率模块的金属衬底结构和制造金属衬底结构的方法以及半导体功率模块与流程

1.本公开涉及一种用于半导体功率模块的金属衬底结构和一种用于半导体装置的半导体功率模块。本公开还涉及对应的用于金属衬底结构的制造方法。


背景技术：

2.传统的绝缘金属衬底形成了同时具有低绝缘要求和低热阻要求的低功率和中等功率半导体封装技术。在绝缘金属衬底上制备出端子。


技术实现要素：

3.本公开的实施例可以为半导体功率模块提供节省成本的金属衬底结构，该金属衬底结构即使对于高电压功率模块应用也实现可靠的功能。本发明的其他实施例可以提供一种对应的用于半导体装置的半导体功率模块以及一种用于这种金属衬底结构的制造方法。
4.根据实施例，一种制造用于半导体功率模块的金属衬底结构的方法包括提供至少一个端子、提供金属顶层、提供介电层以及提供金属底层。该方法还包括通过焊接，例如通过超声波焊接和/或激光焊接，将至少一个端子与金属顶层联接。其他焊接过程也是可能的。该方法还包括将金属顶层与介电层和金属底层联接，使得介电层与金属顶层和金属底层两者联接、介于两者之间，其中，将至少一个端子与金属顶层联接是在将金属顶层与介电层和金属底层联接之前完成的。
5.由于所描述的制造方法，在绝缘金属衬底上实现焊接连接是可能的，这可以有助于半导体功率模块的稳定和可靠的功能，即使对于高压功率模块应用也是如此。完成端子与金属顶层的焊接连接，然后将金属顶层与介电层和/或金属底层联接。换言之，将金属顶层与介电层和/或金属底层联接是在通过焊接将端子与金属顶层联接之后进行的。因此，由于焊接引起的机械应力远离介电层并且有助于避免介电层的裂缝或其他损坏。
6.与本公开有关的认识是，传统的绝缘金属衬底实现了同时具有低绝缘要求和低热阻要求的低功率和中等功率半导体封装技术。对于低可靠性要求，端子可以例如焊接在衬底上。通常，焊接提供更好的可靠性，但焊接过程对于衬底结构可能是重要的。鉴于这种绝缘金属衬底的传统设置，对应的端子使用焊接技术连接到顶部敷金属，以提供典型的连结连接，这对于衬底上的稳定过程和敷金属下方的树脂绝缘片材可能是重要的。焊接过程、尤其是超声波焊接可能导致衬底结构的损坏，由于端子脚部和衬底之间的摩擦和压力，在衬底结构上提供与热量结合的热应力和机械应力的强烈冲击。在此，树脂片材受到变形和裂缝形成的强烈危害。在绝缘金属衬底的电路敷金属上应用端子脚部的超声波焊接时，必须考虑对应的故障模式。然而，如果在这种绝缘金属衬底上使用替代性的焊接方法，也存在高风险的衬底损坏。因此，例如，当通过激光焊接将端子脚部连结到衬底时，还必须考虑强烈的热冲击。
7.由于这种金属衬底结构的传统制造，例如使用超声波焊接，在焊接过程期间可能
会在绝缘层的绝缘片材中产生严重损坏。在顶层的电路敷金属上对主端子和/或辅助端子进行超声波焊接之后，顶层和绝缘层之间可能会出现完全分层。变形树脂片材或绝缘材料可能进一步粘附到端子位置上的分层的金属片材上，从而导致在绝缘金属衬底的绝缘片材中也形成贝壳状裂缝。
8.通过使用所描述的用于制造金属衬底结构的方法，可以由于在金属顶层和介电层的联接之前完成且与金属顶层和介电层的联接隔开的分开的焊接过程而抵消上述不利影响。因此，可以完全抑制裂缝或损坏形成的风险，并且稳定的半导体功率模块是可行的，该稳定的半导体功率模块即使对于在例如0.5kv直至10.0kv的电压范围内的高电压功率模块应用也能够实现可靠的功能。例如，一个或多个端子可以直接焊接到金属顶层的表面上以形成直接的铜与铜接触。替代性地，焊料或其他材料诸如胶水、油漆和/或清漆层可以位于彼此面对的端子的底表面和金属顶层的上表面之间。
9.根据该方法的实施例，将金属顶层与介电层和金属底层联接的步骤包括将金属顶层、介电层和金属底层相对彼此对齐。该方法还包括对金属顶层、介电层和金属底层进行层叠。
10.替代性地，将金属顶层与介电层和金属底层联接的步骤包括：提供成型物质(molding substance)；将金属顶层和金属底层相对彼此对齐，其间有预定距离；然后将所提供的成型物质引入对齐的金属顶层和金属底层之间，从而通过成型形成介电层。例如，通过成型形成介电层可以通过注射成型、压缩成型和/或传递成型来完成。
11.因此，介电层可以实现预浸片材，该预浸片材组装在顶部和底部的形成金属顶层和金属底层的两个金属板之间。例如，这种敷金属片材或板通过层叠过程结合到介电层的绝缘体。然后可以通过随后的掩模和蚀刻过程的步骤来完成金属顶层的所需敷金属结构，以局部去除导电金属，从而产生最终的敷金属结构。
12.对于成型的介电层，成型物质实现具有预定材料特性的可泵送物质。可泵送物质是待形成的介电层的液体或粘性原始材料。例如，成型物质是环氧树脂和/或陶瓷基液体。替代性地或附加地，介电层的原始材料可以是热固性或热塑性树脂材料，诸如聚酰胺、pbt、pet。替代性地或附加地，介电层的原始材料可以包括无机填料，以相对于金属顶层和/或金属底层获得改进的热导率和/或cte调节。例如，成型的介电层包括具有陶瓷填充材料的树脂基介电材料，例如环氧树脂、al2o3、aln、bn、si3n4或sio2。例如，介电层是具有填料的环氧树脂。介电层也可以基于适用于传递成型、注射成型或压缩成型的其他材料，诸如双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酰亚胺和/或硅树脂。替代性地或附加地，介电层可以包括陶瓷材料和/或湿定型材料或上述组分中的两种或更多种组分的材料组合。
13.金属顶层和金属底层相对彼此其间有预定距离的对齐将基本上预先确定成型的介电层的后续厚度。例如，对齐可以通过将金属顶层放置到离型膜或衬垫或另一固定物上，例如成型工具的模具槽中来实现。这使得能够相对于金属底层精确地定位所提供的金属顶层的敷金属结构，并且例如如果由于不同的操作电位而金属顶层包括分开的金属焊盘则可能是有用的。在层叠的情况下，树脂层的厚度由层叠层的厚度和行为给出。
14.根据制造方法的另一实施例，金属顶层可以通过冲压设置有至少一个凹部。就冲压的金属顶层而言，通过焊接将至少一个端子与金属顶层联接可以在对金属顶层进行冲压之前或之后完成。
15.替代性地或附加地，金属顶层可以例如通过蚀刻和/或切割设置有至少一个凹部。替代性地或附加地，例如通过对所提供的金属片材进行激光切割使金属顶层形成具有预定结构。
16.金属顶层的敷金属可以由包括铜和/或铝和/或铜和/或铝的合金的膜和/或片材形成。这也可以应用于例如可以形成为铜和/或铝板的金属底层。至少一个凹部可以实现穿过形成金属顶层的敷金属的连贯金属片的贯穿开口。替代性地，例如，至少一个凹部在两个单独的金属路径之间形成凹槽或自由体积。金属顶层还可以包括多个凹部和/或凹槽以形成预定的金属图案，以在金属衬底结构的顶部上制备期望的敷金属。这也可以暗示金属衬底结构的顶表面上有多个分开的金属图案。
17.制造金属衬底结构的方法还可以包括对联接的端子、金属顶层、介电层和/或金属底层进行清洁和/或校平。
18.此外，根据另一实施例，提供电子器件并将其与至少一个端子联接以形成例如半导体功率模块。
19.根据实施例，一种用于半导体功率模块的金属衬底结构包括金属顶层，该金属顶层具有至少一个凹部和通过焊接与该金属顶层联接的至少一个端子。金属衬底结构还包括金属底层和介电层，该介电层与金属顶层和金属底层两者联接，并且通过成型形成在金属顶层和金属底层之间。例如，包括至少一个凹部的金属顶层是通过冲压形成的，并且其中，介电层被成型成使得介电层延伸到至少一个凹部中。此外，介电层可以被成型成使得介电层在至少一个凹部中形成沟部或沟部槽。替代性地，介电层被成型成使得介电层形成升高部分或屏障部，该升高部分或屏障部延伸穿过至少一个凹部、突出到金属顶层的外表面上方。
20.根据实施例，一种用于半导体装置的半导体功率模块包括所描述的金属衬底结构的实施例和与金属衬底结构的至少一个端子联接的电子器件。半导体功率模块还可以包括与金属衬底结构的金属底层联接的散热器，以在半导体功率模块的操作期间驱散热量。因此，半导体功率模块可以包括单独的散热器。替代性地或附加地，金属衬底结构的金属底层本身可以用作散热器，并且可以被配置为包括肋或突出部，例如以提供有益的散热。金属底层还可以用作半导体功率模块的基板。包括金属衬底结构的半导体功率模块还可以被通过成型或灌封制备的树脂或介电凝胶部分地或完全地封装。端子可以用作电源端子或辅助端子，例如用于信号接线。
21.此外，半导体功率模块可以包括上述金属衬底结构的两个或更多个实施例。电子器件可以包括芯片、集成电路和/或其他器件。
22.由于所描述的方法能够制造上述金属衬底结构和半导体功率模块的实施例，因此还公开了关于金属衬底结构和半导体功率模块的制造方法的所描述的特征和特点，并且反之亦然。因此，本公开包括几个方面，其中，关于方面之一描述的每个特征也在本文关于另一方面公开，即使在特定方面的上下文中没有明确提及相应的特征。
附图说明
23.下面借助示意图和附图标记解释示例性实施例。附图示出了：
24.图1示出了半导体功率模块的实施例；
25.图2至图3示出了用于半导体功率模块的金属衬底结构的实施例；
26.图4至图7示出了制造用于半导体功率模块的金属衬底结构的实施例的步骤；
27.图8至图9示出了制造用于半导体功率模块的金属衬底结构的另一实施例的步骤；以及
28.图10示出了制造金属衬底结构的实施例的方法的流程图。
具体实施方式
29.附图提供了进一步的理解。应当理解，图中所示的实施例是展示性的表示并且不一定按比例绘制。相同的附图标记表示具有相同功能的元件或部件。只要在不同附图中元件或部件的功能彼此对应，就不再针对后续的各附图重复其描述。为清楚起见，元件可能不会在所有图中呈现对应的参考符号。
30.图1图示了用于半导体装置的半导体功率模块1的实施例的侧视图。半导体功率模块1包括金属衬底结构10、与金属衬底结构10联接的电子器件2、以及也与金属衬底结构10联接的散热器3。例如，电子器件2可以包括芯片，图1示出了在金属衬底结构10上具有芯片的半导体功率模块1。关于所示的堆叠方向a，电子器件2与金属衬底结构10的金属顶层11联接，散热器3与金属衬底结构的金属底层13联接。金属衬底结构10还包括形成于金属顶层11与金属底层13之间的介电层12。
31.例如，金属顶层11和金属底层13均由金属组成或至少包括诸如铜和/或铝之类的金属。可以替代地使用导热和/或导电材料或材料组合。例如，介电层12是预浸料片材或具有填料的模制环氧树脂。填料可以是类似陶瓷的或由玻璃纤维等其他无机填料实现。替代性地或附加地，介电层12可以包括热塑性或热固性树脂，诸如聚酰胺、pbt和/或pet。替代性地或附加地，介电层12包括陶瓷基绝缘层，诸如al2o3、aln、bn、si3n4、sio2。介电层12也可以基于适合于注射成型、传递成型和/或压缩成型的其他材料，诸如双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酰亚胺和硅树脂，或者甚至可以基于陶瓷材料，诸如湿定型(hydroset)材料。因此，金属衬底结构10实现了绝缘金属衬底，该绝缘金属衬底具有结构化的顶侧敷金属、金属背侧板和介于其间的介电绝缘层。金属顶层11的焊盘经由引线4和/或经由端子15连接到电子器件2的部件，这些端子通过焊接与金属顶层11联接。
32.所示的半导体功率模块1可以实现凝胶填充的功率模块，其中电子器件2或者甚至整个顶侧或者甚至更多的金属衬底结构10可以嵌入环氧树脂和/或凝胶封装中或被环氧树脂和/或凝胶封装覆盖。例如，这种封装可以在制造金属衬底结构10之后通过成型来完成。制备半导体功率模块1的选项可以包括填充凝胶、填充n环氧树脂(如充填树脂)、传递成型和/或其他成型方法。
33.图2至图3以示意侧视图示出了金属衬底结构10的两个不同实施例。图2图示了包括金属顶层11的金属衬底结构10，该金属顶层包括两个贯穿的凹部14，两个凹部以预定方式填充有例如通过成型形成的介电层12的材料。因此，介电层12被成型成使得介电层延伸到凹部14中并覆盖金属顶层11的分别限制凹部14的盖边缘。
34.根据图3所示的实施例，介电层12可以被成型成使得在一个凹部14中形成介电沟部17，在另一个凹部14中形成介电屏障部18。屏障部16延伸穿过对应的凹部14并突出到金属顶层11的外表面111上方。屏障部16的突出部可以被称为肋。沟部15和屏障部16例如在一
次成型过程中与介电层12一体形成，并且它们的限制介电材料可以覆盖金属顶层11的限制对应的凹部14的边缘。
35.例如，一个或多个端子15可以直接焊接到金属顶层11的敷金属上以形成直接导电接触。因此，端子15的相应接触表面16直接接触金属顶层11的外表面111。替代性地，焊料或诸如胶水、油漆和/或清漆层的其他材料可以位于彼此面对的端子15的接触表面16和金属顶层11的外表面111之间。在这方面，可以在制造过程中实施焊接、烧结和/或胶合。
36.端子15通过焊接、例如通过超声波焊接和/或激光焊接而与金属顶层11联接。其他焊接过程也是可能的。端子15与金属顶层11的联接在金属顶层11与介电层12和/或金属底层13的联接之前完成。
37.例如，图4至图6图示了用于制造根据图3的金属衬底结构10的实施例的方法的不同制造状态。对应的制造方法的步骤可以按照图10所示的流程图进行。
38.在步骤s1中，提供原始片材19以形成后面的金属顶层11(参见图4的上部部分)。此外，设置三个端子15，每个端子相对于由堆叠方向a和侧向方向b张成的截面具有l形状。当然，不同形状的端子15也是可能的。
39.在步骤s2中，将端子15焊接到金属顶层11的外表面111上(参见图4的下部部分)。例如，可以根据超声波焊接和/或激光焊接来进行焊接。
40.在步骤s3中，例如，使用具有准备形成凹部14和具有预定敷金属结构的金属顶层11的突出部的冲压工具对原始片材19进行冲压(参见图5的上部部分)。替代性地，可以在将端子15焊接到金属顶层11上之前，预先冲压出单独的金属焊盘(参见图7)。其他分离方法，如蚀刻、切割或激光切割也是可能的。
41.在步骤s4中，可以提供金属底层13以及具有预定材料特性的可泵送成型物质，该可泵送成型物质实现液体或粘性原始材料形成后面的介电层12。此外，在步骤s4中，将其上具有焊接端子15的冲压出的金属顶层11和提供的金属底层13相对彼此对齐，其间有预定距离(参见图5的下部部分)。这可以通过使用用于固定的离型膜来完成，例如，其中，提供的金属顶层11的敷金属结构被组装到成型工具上。之后，可以将这样的金属顶层离型膜单元相对于提供的金属底层13定位，例如，其中金属顶层11面对金属底层13。
42.在步骤s5中，将提供的成型物质引入对齐的金属顶层11和金属底层13之间的自由体积中，从而进行介电层12的成型。介电层12的形成可以通过注射成型、传递成型和/或压缩成型来完成，并且可以包括在对应的凹部14中和/或穿过对应的凹部延伸的一个或多个沟部17和/或屏障部18的形成。例如，这是通过提供由成型工具和金属顶层11在凹部14的区域中限制的相应的空腔来完成的。然后将提供的物质引入这些空腔以形成沟部槽、沟部17、屏障部18和/或肋。例如，为了制备沟部，成型工具具有对应的突出部。
43.因此，用于半导体功率模块1的金属衬底结构10的实施例可以制造成由实现金属顶层11的冲压金属板顶侧、实现介电层12的环氧树脂基成型绝缘体和实现金属底层13的金属板底侧组成。替代性地，可以在成型之后对均匀的顶部敷金属进行蚀刻。
44.图7示出了提供具有预定的贯穿凹部14的金属顶层11的替代性步骤。甚至可以在将端子15焊接到金属顶层11之前通过冲压来提供金属顶层11(参见图7的上部部分)。在将端子15焊接到金属顶层11之后，制造方法可以继续，如图5和6所示。
45.图8和9示出了用于制造金属衬底结构10的另一实施例的不同方法的制造状态。根
据这样的实施例，金属衬底结构10可以通过层叠、掩模和蚀刻来形成。
46.在步骤s1中，提供原始片材19以形成后面的金属顶层11，并且将端子15焊接到外表面111(参见图8的上部部分)。此外，例如，提供以预浸材料片材的形式的介电层12。此外，提供金属底层13，并且将金属顶层11、介电层12和金属底层13相对彼此对齐。
47.在步骤s2中，进行层叠以将上述层11、12和13联接在一起(参见图8的下部部分)。
48.在步骤s3中，由于掩模和蚀刻，在金属顶层11中形成凹部14(参见图9)。另外，可以对金属衬底结构10进行清洁和/或校平。
49.根据所描述的实施例，在完成金属衬底结构10的层11、12、13的联接之前将端子15连结到金属顶层11。在此，金属衬底结构的制造可以实现半导体功率模块1的制造内的过程。与用于绝缘金属衬底的传统制造过程和随后的模块组装过程相比，在制造剩余的金属衬底结构10本身之前，将主端子和辅助端子15焊接到实现金属顶层11的裸铜顶侧敷金属板。因此，实现介电层12的绝缘树脂片材不存在并且在焊接处理期间不经受机械和热应力。焊接可以通过超声波焊接、激光焊接或任何其他类型的适用焊接过程来完成。
50.根据用于所描述的可能设置类型的金属衬底结构10的过程流，用于连结端子15的焊接过程分别在介电层12的绝缘材料的层叠或成型之前完成。关于通过层叠过程制造金属衬底结构10，具有焊接端子的均质铜顶侧板15、预浸介电层12和底板联接在一起。在层叠过程之后通过蚀刻制备电路图案。替代性地或附加地，可以在层叠之前完成图案的切割分离。
51.对于通过介电层12的隔离材料的成型过程来制造金属衬底结构10，可以在执行注射成型、传递成型或压缩成型过程之前通过冲压、蚀刻和/或切割来制备电路敷金属的图案。替代性地或附加地，可以在层叠之前完成图案的切割分离。然而，也可以将其他过程步骤集成到制造方法中，如在组装完整的绝缘金属衬底结构10之前用于在焊接过程之后变形的顶板的清洁过程或校平过程。
52.端子15可以由铜或铜合金制成，并且可以实现辅助端子或主端子。相对于侧向方向b和/或堆叠方向a，端子15的厚度可以具有0.2mm至3.0mm的值。这可以适用于l形端子15的直立本体部分和/或水平脚部部分。水平部段和竖直部段可以具有相或不同的厚度。
53.由于所描述的制造方法的选择，可以防止相对软的树脂介电层12由于热冲击和机械冲击而变形，即使在金属顶层11的电路敷金属上执行超声波焊接时也是如此。这进一步有助于至少避免树脂片材与金属部分之间的局部分层和/或介电层的隔离片材内部的裂缝形成。分层或裂缝形成还可能导致高电压功率模块中的局部放电和介电击穿。因此，在焊接的端子脚部下没有可见的由机械冲击和/或热冲击引起的介电层12的树脂片材的变形或树脂的修改。
54.因此，半导体功率模块1的对应设计可以包括以下优点中的一项或多项：所提出的过程流程避免了在焊接过程期间中可能损坏介电层12的机械敏感和热敏感的树脂绝缘片材的问题。考虑到还使用新颖的连结方法如焊接技术(例如超声波焊接、激光焊接)，这个机会使得使用这种具有相当成本效益的衬底设计对于大功率模块是有吸引力的，并且适用于更高的电压等级。因此，当用根据本公开的绝缘金属衬底结构10代替具有焊接到基板的陶瓷绝缘片材的传统的衬底设置时，显著降低成本是可能的。一方面可以降低材料成本，另一方面可以从对应的过程流程中去除几个过程步骤，如金属衬底结构10与半导体功率模块1中的基板或冷却器之间的连结过程。
55.通过使用所描述的用于制造金属衬底结构的方法，可以由于分开的焊接过程而抵消裂缝或损坏的形成，在该分开的焊接过程中，在包括金属顶层11和介电层12的联接在内的绝缘金属衬底结构10的制备之前并且与该绝缘金属衬底结构的制备隔开地将端子15焊接到金属顶层11的电路敷金属。因此，裂缝或损坏形成的风险被显著降低或甚至完全抑制，并且稳定的半导体功率模块1是可行的，该稳定的半导体功率模块即使对于在例如0.5kv直至10.0kv的电压范围内的高电压功率模块应用也能够实现可靠的功能。
56.所述图1至10所示的实施例代表改进的金属衬底结构10、半导体功率模块1和其制造方法的示例性实施例；因此，它们并不组成所有实施例的完整清单。例如，实际布置和方法可能与在金属衬底结构和功率模块方面所示的实施例不同。
57.附图标记列表
[0058]1ꢀꢀꢀꢀ
半导体功率模块
[0059]2ꢀꢀꢀꢀ
电子器件
[0060]3ꢀꢀꢀꢀ
散热器
[0061]4ꢀꢀꢀꢀ
引线
[0062]
10
ꢀꢀꢀ
金属衬底结构
[0063]
11
ꢀꢀꢀ
金属顶层
[0064]
111
ꢀꢀ
外表面
[0065]
12
ꢀꢀꢀ
介电层
[0066]
13
ꢀꢀꢀ
金属底层
[0067]
14
ꢀꢀꢀ
凹部
[0068]
15
ꢀꢀꢀ
端子
[0069]
16
ꢀꢀꢀ
接触表面
[0070]
17
ꢀꢀꢀ
成型沟部
[0071]
18
ꢀꢀꢀ
成型屏障部
[0072]
19
ꢀꢀꢀ
原始片材
[0073]aꢀꢀꢀꢀ
堆叠方向
[0074]bꢀꢀꢀꢀ
侧向方向
[0075]
s(i) 用于制造用于半导体功率模块的金属衬底结构的方法步骤。