功率半导体模块及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率半导体模块，并且具体地涉及使这样的模块的杂散电感最小化。
【背景技术】
[0002]常规的功率半导体模块通常包括在其上形成有电路(以铜或铝金属化层限定)的一个或更多个陶瓷基底。半导体芯片(例如，开关和二极管)通常通过管芯附接(dieattach)和接合线电连接至电路。电力端子和辅助端子通常用于提供模块与外界之间的电连接。如果需要非常高的额定电流，则可以平行使用更多个基底并且将其安装在模块基板上。通常通过硅凝胶提供模块中的电绝缘。可以通过塑料壳提供机械保护。
[0003]上述模块构思可以提供足够的性能用于开发常规硅基器件的切换能力。然而，快速切换宽带隙半导体(例如，碳化硅基半导体)引入了利用常规的功率电子模块设计可能难以解决的挑战。由于较高的切换频率，所以使模块中的杂散电感最小化会非常重要。在常规的功率电子模块中，可能难以抑制杂散电感(例如，ΙΟηΗ以下)，这是因为由于芯片、接合线和端子的位置而在换向路径中通常存在感应回路(具有某一回路长度和面积)。此外，根据EMI和EMC观点，实现平衡切换可能需要对栅极发射极连接进行优化，这可能难以利用常规的模块设计来实现。
[0004]为了减缓所描述的功率模块限制，已经提出了新的更紧凑模块构思。一些提议利用了模块的3D设计。
[0005]例如，半导体部件可以堆叠在彼此之上。美国专利申请US 2013/0329370 A1描述了一种半桥模块，其具有半导体部件以及堆叠在彼此之上的两个或更多个陶瓷基底。利用这种方法能够减小部件之间的距离，从而还能够减少感应回路的长度。然而，这种方法可能在制造方面复杂，并且因而可能不是非常具有成本效益。
[0006]使杂散电感最小化的另一方法是在模块中利用印刷电路板技术。可以将半导体嵌入PCB结构中，并且可以对形成在PCB中的电导体最优化以使杂散电感最小化。美国专利申请 US 2009/041994 A1 和 US2013/199829 A1 以及 PCT 申请 TO 2012/072212 A2 和 TO2012/175207 A2示出了将芯片嵌入PCB中的实施方案。然而，PCB技术通常限于低电压和低功率实施方案。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种为了减缓上述缺点的方法以及用于实现该方法的设备。通过由独立权利要求中所陈述的内容所表征的方法和设备来实现本发明的目的。本发明的优选实施方式在从属权利要求中公开。
[0008]通过将功率半导体的芯片嵌入在印刷电路板(PCB)中同时还将芯片堆叠在彼此之上可以实现功率半导体模块中非常低的杂散电感。因而，堆叠的半导体芯片之间的互连大多可以是竖直的。用于模块的连接端子还可以至少部分地位于嵌入的半导体芯片上方。通过将在同一换向回路中的芯片堆叠在彼此上方可以实现杂散电感的进一步减少。
[0009]因为低的杂散电感，所以减小了在根据本公开内容的模块中由杂散电感感应的过电压，并且所述模块可以支持快速切换。因此，所述方法对于快速切换LV(低压)应用可以是引入注目的，并且使得能够开发宽带隙半导体的切换能力。
[0010]PCB技术的使用使得成本显著减少，并且使得在生产线中能够实现高的产率和产量。根据本公开内容的模块和方法允许功率电子模块的极其紧凑的设计。此外，电子控制装置可以直接地嵌入在PCB中或者安装在PCB上。
[0011]根据本公开内容的模块和方法的另一优点是它们高的设计灵活性。因为在PCB中形成电连接，所以定制的解决方案更容易实现。另外，该构思使得能够通过利用多层PCB来制造复杂的3D结构。该构思使得能够调节每个芯片的切换性能(例如，栅极发射极回路的最优化)以提供流经所有芯片的平衡电流，并且从而获得较高的模块可靠性。
【附图说明】
[0012]在下文中，将借助优选实施方式并且参照附图来更详细地描述本发明，在附图中:
[0013]图la至图lc示出了示例性的半桥电路；
[0014]图2示出了包括图la至图lc的半桥的示例性功率半导体模块；
[0015]图3a至图3e示出了用于如图2所示的功率半导体模块的制造过程的示例性的简化的步骤；
[0016]图4示出了用于根据本公开内容的模块的可能的冷却方案的示例；以及
[0017]图5示出了根据本公开内容的双侧冷却的非电绝缘的功率半导体模块的示例。
【具体实施方式】
[0018]本公开内容呈现了一种具有减小的杂散电感的功率半导体模块以及用于制造这样的模块的方法。
[0019]在本公开内容的上下文中，功率半导体模块或功率电子模块指的是包括一起形成换向回路的至少第一半导体器件和第二半导体器件的模块。该模块可以被配置成响应于控制信号而工作，使得流经所述半导体器件之一的电流换向流经另一半导体器件。例如，半导体器件之一可以为诸如IGBT或M0SFET的功率半导体器件，并且另一半导体器件可以为诸如二极管的整流器件。所述半导体器件可以形成多个换向回路。所述功率半导体模块可以为例如半桥模块。
[0020]功率半导体模块还包括其中嵌入有第一半导体器件的芯片的引线框架。引线框架可以为其中形成有腔的导电材料层，例如铜板。第一半导体器件可以通过标准模块组装技术接合至腔。该模块还包括:安装在引线框架和第一半导体器件的芯片之上的第一印刷电路板；以及安装在该印刷电路板之上的支承框架。
[0021 ] 支承框架可以包括其中嵌入有第二半导体器件的芯片的腔。第一印刷电路层可以包括在第一半导体器件的芯片与第二半导体器件的芯片之间的第一导电路径。第一半导体器件的芯片与第二半导体器件的芯片位于彼此之上。因为芯片交叠，所以芯片之间的互连可以是基本上竖直的(即，与引线框架的平面和第一 PCB层垂直)，并且因此芯片之间的互连非常短。因而，能够使换向回路中半导体之间的杂散电感最小化。
[0022]根据本公开内容的模块可以形成例如功率半导体半桥。图la至图lc示出了示例性的半桥电路以及其形成的换向回路。图la中的半桥包括:在正极端子DC+与负极端子DC-之间串联连接的第一半导体开关器件S1和第二半导体开关器件S2;与第一半导体开关器件S1并联连接的第一半导体整流器件D1 ;以及与第二半导体开关器件S2并联连接的第二半导体整流器件D2。在本公开内容的上下文中，术语“并联连接”指的是其中两个(或更多个)电子部件均连接在相同的两个电压电位之间的一种配置。这包括反并联连接部件，即并联连接的但具有相反的极性的部件。
[0023]在图la中，开关S1和开关S2为IGBT。根据栅极端子与辅助发射极端子之间的电压，开关S1和开关S2被控制成导通状态和非导通状态。图la示出了用于开关S1的栅极端子GS1和辅助发射极端子E AUX, S1以及用于开关S2的栅极端子G S2和辅助发射极端子E AUX, S2。
[0024]尽管图la示出了 IGBT，但是开关S1和开关S2还可以为诸如功率M0SFET的其他功率半导体开关。整流器件D1和整流器件D2可以为例如续流二极管。
[0025]第一开关S1和第一整流器D1用作第一半导体器件，并且第二开关S2和第二整流器D2用作第二半导体器件。第一开关S1和第二整流器D2形成第一换向回路，如图lb所示。第二开关S2和第一整流器D1形成第二换向回路，如图lc所示。
[0026]图2示出了包括图1的半桥的示例性功率半导体模块20。图2示出了还包括