具有两个相反半桥的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。

背景技术：

1、在诸如电动汽车和卡车的具有电动驱动器的汽车应用情形中，半桥模块用于组装逆变器，这些逆变器从dc(直流)电流(其可能由电池提供)生成驱动电动马达所需的ac(交流)电流。目前，此类半桥模块包括si(硅)半导体。然而，由于高带隙半导体的较高工作电压和可能的较高切换频率(这可能导致半桥模块的损失较低和应用更有效)，因此还考虑使用高带隙半导体。

2、这种基于高带隙半导体的功率半导体模块可能受益于新的模块设计，因为较高的切换频率通常会导致不同和/或较高的电磁辐射和损失。此外，在较高电压下工作可能需要更佳的局部冷却能力。

技术实现思路

1、因此，本发明的一个目的是提供一种功率半导体模块，该功率半导体模块可以减少上述问题。该目的通过独立权利要求的特征而实现。从属权利要求中给出了有利的实施例。

2、本发明的第一方面涉及一种功率半导体模块。功率半导体模块是一种用于机械地和电气地互连功率半导体芯片的装置。在这里和下文中，术语"功率"指代适合于处理多于100v(伏特)电压和/或多于10a(安培)的装置和元件。

3、根据本发明的一个实施例，该功率半导体模块包括多层电路板，该多层电路板具有第一外传导层、第一隔离层、中间传导层、第二隔离层以及第二外传导层。这些层可以在与这些层的延伸方向正交的方向上、按此顺序布置。该第一隔离层夹在第一外传导层和中间传导层之间。该第二隔离层夹在第二外传导层和中间传导层之间。这些传导层可以由诸如铜的金属制成，和/或可以是金属化层。这些隔离层可以由塑料和/或陶瓷制成。该多层电路板可以是pcb(印刷电路板)、dbc(直接敷铜)衬底或ims(绝缘金属衬底)。

4、根据本发明的一个实施例，功率半导体模块包括：第一半导体芯片和第二半导体芯片，该第一半导体芯片和第二半导体芯片结合到第一外传导层；以及第三半导体芯片和第四半导体芯片，该第三半导体芯片和第四半导体芯片结合到第二外传导层。此类半导体芯片可以具有塑料外壳，该塑料外壳封围由半导体材料制成的裸片，该裸片提供了芯片的功能。这些半导体芯片可以包括可控制开关，例如晶体管和/或晶闸管。特别地，这些半导体芯片可以包括hemt(高电子迁移率晶体管)。每个半导体芯片均可以提供两个功率电极和一个控制电极，这两个功率电极通过装置供应有主要电流(例如，漏极和源极，或发射极和集电极)，该控制电极用于切换所述主要电流(例如，门极或基极)。

5、在这里和下文中，结合可以指代用于在电气和机械上连接两个金属元件的过程，例如熔焊、焊接和烧结。

6、根据本发明的一个实施例，该功率半导体模块包括第一衬底，该第一衬底附接到第一半导体芯片和第二半导体芯片，以使得该第一半导体芯片和第二半导体芯片布置在第一衬底和多层电路板之间。此外，该功率半导体模块包括第二衬底，该第二衬底附接到第三半导体芯片和第四半导体芯片，以使得该第三半导体芯片和第四半导体芯片布置在第二衬底和多层电路板之间。该第一衬底可以包括第一传导层，并且该第二衬底可以包括第二传导层，这些传导层用于将中间传导层与多层电路板的外传导层的dc-区域电气地互连。该第一衬底和/或第二衬底可以是pcb(印刷电路板)、dbc(直接敷铜)衬底或ims(绝缘金属衬底)。

7、根据本发明的一个实施例，其中，该多层电路板的第一外传导层将结构设定成有第一dc+区域、第一ac区域和第一dc-区域，这些区域将第一半导体芯片和第二半导体芯片互连成一个半桥。此外，该多层电路板的第二外传导层将结构设定成有第二dc+区域、第二ac区域和第二dc-区域，这些区域在第二隔离层上彼此隔开，并将第三半导体芯片和第四半导体芯片互连成一个半桥。第一dc+区域、第一ac区域和第一dc-区域可以在第一隔离层上彼此隔开。第二dc+区域、第二ac区域和第二dc-区域可以在第二隔离层上彼此隔开。"在隔离层上彼此隔开"可以意指，当相应的半导体芯片不存在、即并不结合到对应的部件时，这些对应的部件彼此电气隔离。

8、也可以是第一外传导层和/或第二外传导层包括控制电极区域，该控制电极区域与其它区域隔开。半导体芯片的控制电极可以结合到控制电极区域。半导体芯片的功率电极和可选的控制电极可以设置在半导体芯片的同一侧上。

9、这样，第一半导体芯片和第二半导体芯片连接成一个半桥，并且第三半导体芯片和第四半导体芯片连接成一个半桥。半桥是电路，其中，对应的两个半导体芯片串联地连接，每个半导体芯片都包括半导体开关。

10、根据本发明的一个实施例，该第一dc-区域经由第一衬底和贯穿传导柱与中间传导层连接，并且该第二dc-区域经由第二衬底和贯穿传导柱与中间传导层连接。该贯穿传导柱在第一衬底和第二衬底之间、穿过多层电路行进，即横穿该多层电路。特别地，该贯穿传导柱与由中间传导层提供的中间dc-区域连接。

11、由于dc-区域连接到中间层，该中间层在半导体芯片和它们的电气互连之间、将电流传导通过功率半导体模块的dc-侧，因此该功率半导体模块的功率导体环路的电感量较低。通过将第二和第四半导体芯片上方的电流引导通过第一衬底和第二衬底的传导层，该功率导体环路进一步减小。这导致了由功率半导体模块和该功率半导体模块所连接的其它电气部件形成的功率导体环路的杂散电感降低。当功率半导体芯片如同普通装置一样、以较高的频率切换时，这可能是有益的，基于宽带隙材料的芯片可能就是这种情况。

12、此外，第一半导体芯片和第二半导体芯片相对于第三半导体芯片和第四半导体芯片的对称布置导致了功率半导体模块内部的均匀电流分布。该对称布置可以是镜像对称的。该第一外传导层和第二外传导层可以对称地(镜像地)布置。该第一衬底和第二衬底可以对称地(镜像地)布置。

13、dc-电流穿过第一衬底和第二衬底行进，冷却元件可以直接地附接到该第一衬底和第二衬底。因此，通过模块的电流路径可以更有效地冷却。

14、由于在多层电路板的各侧上的半桥，该功率半导体模块提供了高功率密度。该功率半导体模块的部件的布置导致了紧凑的设计。由功率半导体模块所占据的通常大致长方体空间可以设计成更像立方体而非扁平的盒子。这可能导致更多的自由空间，以将半导体模块组装到逆变器中。

15、根据本发明的一个实施例，该贯穿传导柱布置在第一半导体芯片和第二半导体芯片之间和/或布置在第三半导体芯片和第四半导体芯片之间。中间dc-区域可以仅仅布置在第一半导体芯片和第三半导体芯片之间。该中间dc-区域可以在一侧处连接到贯穿传导柱。

16、根据本发明的一个实施例，该贯穿传导柱在多层电路板内部连接到该中间传导层的中间dc-区域。例如，该贯穿传导柱可以是或可以包括多层电路板的通孔，该通孔在多层电路板内部、特别地在两个隔离层之间与中间dc-区域连接。

17、根据本发明的一个实施例，该第一衬底包括传导层和隔离层，其中，该第一衬底的传导层将结构设定成提供第三dc-区域，该第三dc-区域连接到多层电路板的第一dc-区域和贯穿传导柱。类似地，该第二衬底包括传导层和隔离层，其中，该第二衬底的传导层将结构设定成提供第四dc-区域，该第四dc-区域连接到多层电路板的第二dc-区域和贯穿传导柱。这些传导层可以由金属制成。该第一衬底和第二衬底的传导层的一部分可以用于将相应的dc-区域与贯穿传导柱相连接。该第一衬底和第二衬底的传导层可以布置成面向半导体芯片。

18、根据本发明的一个实施例，该贯穿传导柱连接到该第一衬底的第三dc-区域，该第三dc-区域连接到第一dc-区域，其中，该第一dc-区域和第三dc-区域经由第一传导柱连接。类似地，该贯穿传导柱连接到该第二衬底的第四dc-区域，该第四dc-区域连接到该第二dc-区域，其中，该第二dc-区域和第四dc-区域经由第二传导柱连接。第一和第二传导柱可以由金属销和/或金属块制成，这些金属销和/或金属块分别结合到该多层电路板以及第一衬底和第二衬底。

19、根据本发明的一个实施例，该第一传导柱隔着第二半导体芯片与贯穿传导柱相对地布置。类似地，该第二传导柱隔着第四半导体芯片与贯穿传导柱相对地布置。因此，dc-电流可以经由第一传导柱、第一衬底的第三dc-区域和贯穿传导柱围绕第二半导体芯片行进。此外，dc-电流可以经由第二传导柱、第二衬底的第四dc-区域和贯穿传导柱围绕第四半导体芯片行进。

20、根据本发明的一个实施例，中间的dc-区域布置在第一dc+区域和第二dc+区域之间。dc-电流可以进一步在第一半导体芯片和第二半导体芯片之间引导。

21、根据本发明的一个实施例，中间的dc-区域布置在第一ac区域和第二ac区域之间。该中间dc-区域也可以至少部分地布置在ac区域之间。

22、根据本发明的一个实施例，中间dc-区域布置在第一半导体芯片和第三半导体芯片之间。如前所述，dc-电流可以在第一半导体芯片和第二半导体芯片之间引导。

23、根据本发明的一个实施例，第一ac区域和第二ac区域连接到中间传导层的中间ac区域。该中间传导层可以将结构设定成中间dc-区域和中间ac区域。中间ac区域可以布置在第一dc-区域和第二dc-区域之间。中间ac区域可以布置在第二半导体芯片和第四半导体芯片之间。ac电流可以在第三半导体芯片和第四半导体芯片之间以及在第一dc-区域和第二dc-区域之间引导。

24、根据本发明的一个实施例，ac端子连接到中间ac区域。该交流端子可以设置在功率半导体模块的一侧上，该侧与布置有dc端子的一侧相反。

25、第一ac区域和第二ac区域可以例如经由ac端子和/或经由中间ac区域连接。第一dc+区域和第二dc+区域彼此连接也可以例如经由dc-端子连接。这样，由第一和第二半导体芯片以及第三和第四半导体芯片形成的两个半桥在功率半导体模块中并联。

26、根据本发明的一个实施例，dc+端子连接到第一外传导层的dc+区域并且连接到第二外传导层的dc+区域。此外，dc-端子可以连接到中间传导层，特别地连接到中间dc-区域。这些端子、即dc端子和/或ac端子可以是功率半导体模块的一部分，其中，该功率半导体模块电连接到其它装置。

27、这些端子可以连接到多层电路板，以使得由半导体芯片形成的两个半桥相对于dc+、dc-和ac并联连接。这种半桥可以用于从dc电流生成ac电流的相位。该功率半导体模块也可以视为半桥模块。

28、根据本发明的一个实施例，dc+端子和dc-端子布置在功率半导体模块的相同的第一侧处。连接到第一ac区域和第二ac区域的ac端子例如经由中间ac区域、布置在功率半导体模块的第二侧上，该第二侧与第一侧相反。该多层电路板的这些层可以基本上平行于一个平面延伸。此外，该多层电路板的结合有半导体芯片的侧也在该平面中延伸。该多层电路板的小侧位于多层电路板的边界处，该边界可以具有基本上矩形的形状。dc+端子和dc-端子可以布置在同一小侧处。这可以减小功率导体环路的尺寸。

29、根据本发明的一个实施例，第一半导体芯片和第三半导体芯片相对于多层电路板彼此相反地布置。类似地，第二半导体芯片和第四半导体芯片相对于多层电路板彼此相反地布置。相对于对多层电路板平面的观察方向，第一(或第二)半导体芯片和第三(或第四)半导体芯片可以基本上完全地彼此重叠。如前所述，半导体芯片可以相对于多层电路板的中间平面镜像对称地布置。

30、根据本发明的一个实施例，第一dc+区域和第二dc+区域相对于多层电路板彼此相反地布置。此外，第一ac区域和第二ac区域可以相对于多层电路板彼此相反地布置。此外，第一dc-区域和第二dc-区域可以相对于多层电路板、彼此相反地布置。第三dc-区域和第四dc-区域也可以相对于多层电路板、彼此相反地布置。所有这些区域均可以相对于多层电路板的中间平面镜像对称地布置。相对于对多层电路板平面的观察方向，dc+区域、ac区域和/或相应的dc-区域可以基本上完全地彼此重叠。

31、根据本发明的一个实施例，第一半导体芯片和第二半导体芯片沿着第一dc+区域、第一ac区域和第一dc-区域成一排布置。类似地，第三半导体芯片和第四半导体芯片沿着第二dc+区域、第二ac区域和第二dc-区域成一排布置。

32、根据本发明的一个实施例，其中，第一冷却元件附接到第一衬底的与多层电路板相反的背侧和/或第二冷却元件附接到第二衬底的与多层电路板相反的背侧。半导体芯片的背侧可以相对于半导体芯片的带有功率电极的功率电极侧定位。这些半导体芯片可以使得其所有电极均处于第一侧、即功率电极侧上。第二侧或背侧可以利用相应的冷却元件进行冷却。此类冷却元件可以具有散热器和/或可以是水冷和/或气冷的。

33、根据本发明的一个实施例，间隔件布置在多层电路板和第一衬底及第二衬底之间。这些间隔件可以用于机械地支承多层电路板上的第一衬底和第二衬底。间隔件还可以用于将第一衬底和第一冷却元件以及第二衬底和第二冷却元件热连接到多层电路板。此类间隔件可以由电绝缘材料和/或导热材料制成。这些间隔件可以用于直接冷却设置在多层电路板上的dc+区域、ac区域和/或dc-区域。这样，可以避免可能直接连接到半导体芯片的功率电极侧的这些区域变得太热。

34、根据本发明的一个实施例，第一半导体芯片、第二半导体芯片、第三半导体芯片和第四半导体芯片中的每个都在面向多层电路板的一侧上具有功率电极。相应半导体芯片的功率电极侧可以结合到该多层电路板的相应传导层。

35、根据本发明的一个实施例，第一半导体芯片、第二半导体芯片、第三半导体芯片和第四半导体芯片基于宽带隙半导体材料，例如gan(氮化镓)或sic(碳化硅)。每个半导体芯片的裸片均可以由宽带隙材料制成。此类半导体芯片允许实现较高的切换频率和/或较高的工作电压。