具有反向二极管的功率半导体模块的制作方法

1.本发明涉及一种功率半导体模块和一种半桥模块。


背景技术：

2.在具有电驱动器的汽车应用(诸如电动小汽车和卡车)中，使用半桥模块来组装逆变器，逆变器从dc电流产生驱动电动马达所需的ac电流，dc电流可以由电池提供。目前，这种半桥模块包括si半导体。然而，由于其更高的操作电压和可能的更高切换频率(这可能使得半桥模块的损耗更低且应用更高效)，因此也考虑使用高带隙半导体。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，以减少电磁辐射和损耗并提高局部冷却能力。


技术实现要素：

3.因此，本发明的目标在于提供一种减少上述问题的功率半导体模块。该目标通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中给出了有利实施例。
4.本发明的第一方面涉及一种功率半导体模块。功率半导体模块是用于机械和电互连半导体芯片的器件。这里和下文中，术语“功率”是指适于处理超过100v和/或超过10a的电压的器件和元件。
5.根据本发明的实施例，功率半导体模块包括：主衬底，主衬底包括至少一个金属化层，所述金属化层被划分为第一区域和第二区域；半导体开关芯片，半导体开关芯片在正端子侧上具有正端子，在与正端子侧相反的负端子侧上具有负端子，适于开关从正端子到负端子的电流，其中，半导体开关芯片通过正端子侧敷接到第一区域；二极管芯片，二极管芯片在阳极侧上具有阳极并在与阳极侧相反的阴极侧上具有阴极，适于阻断从阴极到阳极的电流，其中，二极管芯片通过阳极侧敷接到第二区域；散热器，散热器与半导体开关芯片和二极管芯片相反地连接到主衬底；以及辅助衬底，辅助衬底包括至少一个金属化层，所述金属化层被划分为第三区域和第四区域；其中，半导体开关芯片通过负端子侧敷接到第三区域；其中，二极管芯片通过阴极侧敷接到第四区域；并且其中，第一区域电连接到第四区域并且第二区域电连接到第三区域。
6.总之，功率半导体模块包括半导体开关芯片和二极管芯片，半导体开关芯片和二极管芯片以相同的传导方向并排布置，并且通过两个衬底(主衬底和辅助衬底)反并联地电互连。半导体开关芯片和二极管芯片夹在两个衬底之间，两个衬底具有结构化金属化层并且电互连以产生反并联连接。特别地，在半导体开关芯片与二极管芯片之间存在分离的金属图案和/或区域。二极管通过其阳极侧安装到主衬底，主衬底在其相反侧上具有散热器，使得二极管芯片的阳极侧比阴极侧更好地冷却。通常，二极管中的发热层定位成与在阴极侧上相比更多的在阳极侧上。
7.功率半导体模块包括主衬底，主衬底包括至少一个金属化层，所述金属化层被分成第一区域和第二区域。金属化层在衬底的电隔离层上。可能的是，进一步的金属化层与
(第一)金属化层相反地设置在隔离层上。
8.主衬底可以是dbc(直接敷接铜)衬底，即，陶瓷层上的一个或两个铜层。主衬底可以是具有由填充有陶瓷颗粒的聚合物制成的电隔离层的(ims)绝缘金属衬底。一个或多个金属化层可以由金属诸如铜或铝制成。电隔离层可以由塑料和/或陶瓷制成。
9.功率半导体模块包括半导体开关芯片，半导体开关芯片在正端子侧上具有正端子，在与正端子侧相反的负端子侧上具有负端子。半导体开关芯片适于开关从正端子到负端子的电流。为此，半导体开关芯片可以包括控制端子，以控制正端子与负端子之间的路径的电阻。
10.这样的半导体开关芯片(以及下面描述的二极管芯片)可以具有塑料外壳，塑料外壳封入由半导体材料制成的裸片，裸片提供芯片的功能性。半导体开关芯片可以提供和/或可以是晶体管或晶闸管。正端子、负端子和控制端子可以作为电极设置在芯片的外壳上。
11.可以是半导体开关芯片提供双极晶体管，特别是n沟道双极晶体管，例如igbt。在这种情况下，正端子是集电极，负端子是发射极，且控制端子是基极。
12.也可以是半导体开关芯片提供场效应晶体管，例如，mosfet。在这种情况下，正端子是漏极，负端子是源极，控制端子是栅极。
13.作为进一步示例，半导体开关芯片提供晶闸管。在这种情况下，正端子是阳极，负端子是阴极，控制端子是栅极。
14.半导体开关芯片可以基于宽带隙半导体，和/或对应裸片可由宽带隙材料制成。例如，半导体开关芯片基于gan(氮化镓)或sic(碳化硅)。这样的半导体开关芯片允许更高的切换频率和/或更高的操作电压。然而，也可能的是，半导体开关芯片只基于硅。
15.功率半导体模块包括二极管芯片，二极管芯片在阳极侧上具有阳极，在与阳极侧相反的阴极侧上具有阴极，适于阻断从阴极到阳极的电流。在二极管的情况下，阳极可以用正侧标识，阴极可以用负侧标识。
16.二极管芯片可以基于宽带隙半导体和/或对应裸片可以由宽带隙材料诸如上文提到的材料制成。特别地，二极管芯片包括氧化镓二极管。氧化镓(例如，β-ga2o3)二极管具有低损耗，比硅二极管更适合处理高频。二极管可以是肖特基势垒二极管。
17.功率半导体模块包括散热器，散热器与半导体开关芯片和二极管芯片相反地连接到主衬底。散热器可以被敷接或以其它方式附接到与半导体开关芯片和二极管芯片被敷接到的金属化层相反的主衬底的金属化层。例如，散热器可以是空气冷却的散热器或液体冷却的散热器。
18.根据本发明的实施例，功率半导体模块包括辅助衬底，辅助衬底包括至少一个金属化层，所述金属化层被划分为第三区域和第四区域。半导体开关芯片和二极管芯片可以被布置在主衬底与辅助衬底之间。辅助衬底可以是直接敷接铜衬底或印刷电路板。在印刷电路板的情况下，辅助衬底可以具有被塑料层分离的一个或两个金属化层。
19.半导体开关芯片通过正端子侧敷接到主衬底的金属化层的第一区域，并且通过负端子侧敷接到辅助衬底的金属化层的第三区域。二极管芯片通过阳极侧敷接到主衬底的金属化层的第二区域，并且通过阴极侧敷接到辅助衬底的金属化层的第四区域。第一区域电连接到第四区域，第二区域电连接到第三区域。以这种方式，半导体开关芯片和二极管芯片以相同的传导方向安装到模块中，但彼此反并联和/或以反向传导方向电连接。在这里和下
文中，敷接可以指用于电和机械地连接两个金属元件的过程，诸如钎焊、焊接和烧结。
20.这种布置具有的优点在于，二极管芯片的阳极侧比阴极侧更好地冷却。特别是对于氧化镓二极管和其它宽带隙材料，热传导比硅差多达1/10的因子，并且二极管内部的大部分加热发生在阳极层和/或阳极侧附近。二极管芯片中的加热层到阳极侧的距离可以为大约2u至10u，而到阴极侧的距离可以为大约70u至500u。所以对阳极侧冷却产生更有效的热传递。
21.根据本发明的实施例，辅助衬底包括隔离层和第二金属化层，第二金属化层与半导体开关芯片和二极管芯片敷接到的金属化层相反。第三区域和第二区域电连接到第二金属化层。辅助衬底的导电背侧可以用于将两个芯片电互连。
22.根据本发明的实施例，辅助衬底的第三区域通过穿过隔离层的导通孔连接到第二金属化层。导通孔可以是穿过金属化层之间的隔离层到达的导电元件。特别地，在印刷电路板的情况下，这样的导通孔可以容易地制成。
23.根据本发明的实施例，主衬底的第二区域通过导电柱连接到辅助衬底的第二金属化层，导电柱敷接到主衬底的第二区域和辅助衬底的第二金属化层。这样的柱可以由印刷电路板形式的辅助衬底提供的一个或多个引脚来提供。
24.根据本发明的实施例，导电柱在辅助衬底的一侧处敷接到第二金属化层。以这样的方式，不必在辅助衬底中设置通孔。辅助衬底的金属化层的第四区域可以被结构化，使得在第四区域和辅助衬底的所述一侧之间的隔离部上形成间隙，导电柱被敷接在其中。
25.根据本发明的实施例，导电柱被布置在半导体开关芯片与二极管芯片之间。可以设置穿过辅助衬底的通孔，柱可以穿过通孔到达主衬底。导电柱穿过辅助衬底的隔离层突出。柱可以是由印刷电路板形式的辅助衬底提供的引脚。在半导体开关芯片与二极管芯片之间布置导电柱可以产生小的导体环路和较低的损耗。
26.根据本发明的实施例，从正交于主衬底和辅助衬底的方向观察，第一区域和第四区域彼此重叠。主衬底和辅助衬底中的每一个限定基本彼此平行的平面。观察方向基本正交于这些平面。第一区域和第四区域通过(第二)导电柱被电连接，该导电柱敷接到第一区域和第四区域。这样的柱可以是由印刷电路板形式的辅助衬底提供的引脚。
27.应理解，也关于该观察方向，第一和第三区域以及第二和第四区域也彼此重叠，使得芯片可以在它们之间敷接。
28.本发明的进一步方面涉及一种半桥模块，该半桥模块由第一和第二本文所述的功率半导体模块构成。这里的“构成”意思是半桥模块具有两部分，每一部分都被设计成如上文和下文所述的功率半导体模块。
29.半桥模块中的芯片互连以形成半桥，即，串联连接的两个半导体开关芯片和反并联连接到每个半导体开关芯片的续流二极管芯片。
30.第一功率半导体模块的主衬底和第二功率半导体模块的主衬底由半桥模块的主衬底提供。半桥模块的主衬底可以包括用于两个功率半导体模块的公共隔离层。第一功率半导体模块的第二区域和第二功率半导体模块的第一区域由半桥模块的ac区域提供。第一功率半导体模块的第一区域为半桥模块的dc+区域。第二功率半导体模块的第二区域是半桥模块的dc-区域。
31.可能的是，半桥模块具有两个辅助衬底，每个功率半导体模块一个辅助衬底。还可
能的是，第一功率半导体模块的第一辅助衬底和第二功率半导体模块的第二辅助衬底由半桥模块的辅助衬底提供，半桥模块的辅助衬底具有用于两个功率半导体模块的公共隔离层。
附图说明
32.参考下文所述的实施例，本发明的这些和其它方面将显而易见并被阐明。下面参考附图更详细地描述本发明的实施例。
33.图1示出了根据本发明的实施例的半桥模块的电路图。
34.图2示出了根据本发明的实施例的半桥模块的示意性横截面图。
35.图3示出了根据本发明的实施例的功率半导体模块的示意性横截面图。
36.图4示出了根据本发明的进一步实施例的功率半导体模块的示意性横截面图。
37.在附图中使用的附图标记，以及它们的含义，在下面的附图标记列表中以总结形式列出。原则上，相同部分在图中具有相同的附图标记。
具体实施方式
38.图1示出了半桥模块10的电路图，半桥模块10包括串联电连接的两个半导体开关芯片12、12a、12b。续流二极管芯片14、14a、14b反并联地连接到每个半导体开关芯片12、12a、12b。每个半导体开关芯片12、12a、12b包括正端子t+、负端子t-以及控制端子16。每个二极管芯片14、14a、14b包括阳极d+和阴极d-。
39.第一半导体开关芯片12a的正端子t+和第一二极管芯片14a的阴极d-彼此连接并连接到半桥模块10的dc+端子。第二半导体开关芯片12b的负端子t-和第二二极管芯片14b的阳极d+彼此连接，并连接到半桥模块10的dc-端子。
40.第一半导体开关芯片12a的负端子t-、第一二极管芯片14a的阳极d+、第二半导体开关芯片12b的正端子t+以及第二二极管芯片14b的阴极d-彼此连接，并连接到半桥模块10的ac端子。
41.二极管芯片14、14a、14b可以提供氧化镓二极管，特别是由β-ga2o3制成，和/或可以是肖特基势垒二极管。
42.半导体开关芯片12、12a、12b可以提供双极晶体管，诸如igbt，场效应晶体管，诸如mosfet，或晶闸管。而且，半导体开关芯片12、12a、12b可以由宽带隙材料制成。
43.图2示出了半桥模块10的示意性横截面图，其中，半导体开关芯片12、12a、12b和二极管芯片14、14a、14b敷接到主衬底18。主衬底18由被夹在两个金属化层22、24之间的隔离层20构成。主衬底18可以是印刷电路板、ims(绝缘金属衬底)或dbc(直接敷接铜)衬底。也可以是主衬底18包含多于三层。
44.半导体开关芯片12、12a、12b和二极管芯片14、14a、14b被敷接到金属化层22。金属化层22被结构化并被分成连接到dc+端子的dc+区域、连接到ac端子的ac区域以及连接到dc-端子的dc-区域。半导体开关芯片12a敷接到dc+区域，二极管芯片14a和半导体开关芯片12b敷接到ac区域，二极管芯片14b敷接到dc-区域。
45.如将关于图3和图4解释的，半桥模块10由两部分构成，每一部分都可以被看作功率半导体模块26、26a、26b自身。在图2中示出了两个半导体模块26、26a、26b之间的划分线。
半导体模块26、26a、26b中的每一个具有半导体开关芯片12、12a、12b敷接到的金属化层22的第一区域28和二极管芯片14、14a、14b敷接到的第二区域30。
46.图3和图4示出了可以在图1和图2的半桥模块10中使用的功率半导体模块26、26a、26b的横截面图。虽然图2是沿主衬底18在其中延伸的平面的横截面图，但是图3和图4是沿与主衬底的平面正交的平面的横截面图。
47.图3和图4示出了散热器32附接到主衬底18的金属化层24。散热器32可以敷接或以其它方式附接到与半导体开关芯片12、12a、12b和二极管芯片14、14a、14b相反的主衬底18的背侧。散热器32可以是任何种类的冷却元件，和/或可以是基于空气或水冷却的。也可能进行主动和被动冷却。
48.此外，功率半导体模块26、26a、26b包括辅助衬底34，辅助衬底34由两个金属化层36、38和夹在金属化层36、38之间的隔离层40构成。辅助衬底34可以是dbc(直接敷接铜)衬底或pcb(印刷电路板)。半导体开关芯片12、12a、12b和二极管芯片14、14a、14b被布置在主衬底18与辅助衬底34之间。
49.金属化层36被结构化并被划分为第三区域42和第四区域44。
50.半导体开关芯片12、12a、12b包括正端子侧46+上的正端子t+和与正端子侧46+相反的负端子侧46-上的负端子t-。半导体开关芯片12通过正端子侧46+敷接至第一区域28，并且通过负端子侧46-敷接至第三区域42。
51.二极管芯片14包括阳极侧48+上的阳极d+和与阳极侧48+相反的阴极侧48-上的阴极d-。二极管芯片14通过阳极侧48+敷接到第二区域30，并且通过阴极侧48-敷接到第四区域44。
52.如图3和图4中所示，第一区域28电连接到第四区域44，第二区域30电连接到第三区域42。以这样的方式，二极管芯片14(关于阳极侧48+和阴极侧48-)并联地和/或在与半导体开关芯片12(关于正端子侧46+和负端子侧46-)相同的传导方向上布置。这鉴于冷却是有益的。此外，经由辅助衬底34，二极管芯片14与半导体开关芯片12反并联地电连接。
53.特别地，当二极管芯片14提供氧化镓二极管和/或由其它宽带隙材料制成的二极管时，热传导比在硅中差。此外，二极管芯片14内部的大部分加热发生在阳极层和/或阳极侧48+附近。产生大部分热的二极管芯片14中的层到阳极侧48+的距离可以为大约2u至10u，而阴极侧48-到该层的距离可以为大约70u至500u。所以冷却指向散热器32的阳极侧48+产生更有效的热传递。
54.如图3和图4中所示，辅助衬底34的第三区域42和主衬底18的第二区域30电连接到第二金属化层38。在例如半导体开关芯片12上方的一侧上，第三区域42通过穿过辅助衬底34的隔离层40的导通孔50而连接到第二金属化层38。
55.第二区域30通过导电柱52连接到第二金属化层38，导电柱52敷接至第二区域30和第二金属化层38。如图3中所示，导电柱52在辅助衬底34的一侧处敷接到第二金属化层38。如图4中所示，导电柱52被布置在半导体开关芯片12与二极管芯片14之间，并且导电柱52穿过辅助衬底34的隔离层40突出。这可能产生功率半导体模块26的较小感应环路。
56.此外，从正交于主衬底18和辅助衬底34的方向观察，第一区域28和第四区域44彼此重叠。为了将这两个区域28、34电连接到第一区域28和第四区域44，使用了导电柱54，该导电柱54敷接到第一区域28和第四区域44。
57.辅助衬底34可以是pcb，并且柱52和54可以是被钎焊到相应金属化层36、38的引脚。当将辅助衬底34附接到功率半导体模块26的其余部分时，引脚和/或柱52、54可以被钎焊到金属化层22。
58.虽然已经在附图和前述描述中详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是图示性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域和实践所要求保护的发明的技术人员通过对附图、公开内容和所附权利要求书的研究，能够理解和实现对所公开的实施例的其它变体。在权利要求中，词语“包括
…”
不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其它单元可以履行权利要求书中所述的几个项目的功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅仅事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制范围。
59.附图标记列表
60.10半桥模块
61.12半导体开关芯片
62.12a第一半导体开关芯片
63.12b第二半导体开关芯片
64.14二极管芯片
65.14a第一二极管芯片
66.14b第二二极管芯片
67.t+正端子
68.t-负端子
69.16控制端子
70.d+阳极
71.d-阴极
72.dc+dc+端子/dc+区域
73.dc-dc-端子/dc-区域
74.ac ac端子/ac区域
75.18主衬底
76.20隔离层
77.22第一金属化层
78.24第二金属化层
79.26功率半导体模块
80.26a第一功率半导体模块
81.26b第二功率半导体模块
82.28第一区域
83.30第二区域
84.32散热器
85.34辅助衬底
86.36第一金属化层
87.38第二金属化层
88.40隔离层
89.42第三区域
90.44第四区域
91.46+正端子侧
92.46-负端子侧
93.48+阳极侧
94.48-阴极侧
95.50导通孔
96.52第一导电柱
97.54第二导电柱。

技术特征：
1.一种功率半导体模块(26)，包括：主衬底(18)，所述主衬底包括至少一个金属化层(22)，所述金属化层被划分为第一区域(28)和第二区域(30)；半导体开关芯片(12)，所述半导体开关芯片具有在正端子侧(46+)上的正端子(t+)和在与所述正端子侧(46+)相反的负端子侧(46-)上的负端子(t-)，所述半导体开关芯片适于对从所述正端子(t+)到所述负端子(t-)的电流进行开关，其中，所述半导体开关芯片(12)通过所述正端子侧(46+)被敷接到所述第一区域(28)；二极管芯片(14)，所述二极管芯片具有在阳极侧(48+)上的阳极(d+)和在与所述阳极侧(48+)相反的阴极侧(48-)上的阴极(d-)，所述二极管芯片适于阻断从所述阴极(d-)到所述阳极(d+)的电流，其中，所述二极管芯片(14)通过所述阳极侧(48+)被敷接到所述第二区域(30)；散热器(32)，所述散热器与所述半导体开关芯片(12)和所述二极管芯片(14)相反地连接到所述主衬底(18)；辅助衬底(34)，所述辅助衬底包括至少一个金属化层(36)，所述金属化层被划分为第三区域(42)和第四区域(44)；其中，所述半导体开关芯片(12)通过所述负端子侧(46-)被敷接到所述第三区域(42)；其中，所述二极管芯片(14)通过所述阴极侧(48-)被敷接到所述第四区域(44)；其中，所述第一区域(28)被电连接到所述第四区域(44)并且所述第二区域(30)被电连接到所述第三区域(42)。2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(26)，其中，所述辅助衬底(34)包括隔离层(40)和第二金属化层(38)，所述第二金属化层与敷接有所述半导体开关芯片(12)和所述二极管芯片(14)的所述金属化层(36)相反；其中，所述第三区域(42)和所述第二区域(30)被电连接到所述第二金属化层(38)。3.根据权利要求2所述的功率半导体模块(26)，其中，所述第三区域(42)通过穿过所述隔离层(40)的导通孔(50)被连接到所述第二金属化层(38)。4.根据权利要求2或3所述的功率半导体模块(26)，其中，第二区域(30)通过被敷接到所述第二区域(30)和所述第二金属化层(38)的导电柱(52)而被连接到所述第二金属化层(38)。5.根据权利要求4所述的功率半导体模块(26)，其中，所述导电柱(52)在所述辅助衬底(34)的一侧被敷接到所述第二金属化层(38)。6.根据权利要求4所述的功率半导体模块(26)，其中，所述导电柱(52)被布置在所述半导体开关芯片(12)与所述二极管芯片(14)之间；其中，所述导电柱(52)突出穿过所述辅助衬底(34)的隔离层(40)。7.根据上述权利要求中的任一项所述的功率半导体模块(26)，其中，从与所述主衬底(18)和所述辅助衬底(34)正交的方向观察时，所述第一区域(28)和所述第四区域(44)彼此重叠；其中，所述第一区域(28)和所述第四区域(44)通过被敷接到所述第一区域(28)和所述
第四区域(44)的导电柱(54)而被电连接。8.根据上述权利要求中的任一项所述的功率半导体模块(26)，其中，所述二极管芯片(14)包括氧化镓二极管。9.根据上述权利要求中的任一项所述的功率半导体模块(26)，其中，所述半导体开关芯片(12)提供双极晶体管，例如，igbt；或其中，所述半导体开关芯片(12)提供场效应晶体管；或其中，所述半导体开关芯片(12)提供晶闸管。10.根据上述权利要求中的任一项所述的功率半导体模块(26)，其中，所述主衬底(18)是直接敷接铜衬底或绝缘金属衬底；和/或其中，所述辅助衬底(34)是直接敷接铜衬底或印刷电路板。11.一种半桥模块(10)，所述半桥模块包括根据上述权利要求中的任一项所述的第一功率半导体模块(26、26a)和第二功率半导体模块(26b)；其中，由所述半桥模块(10)的主衬底(18)提供所述第一功率半导体模块(26a)的主衬底(18)和所述第二功率半导体模块(26b)的主衬底(18)；其中，由所述半桥模块(10)的ac区域(ac)提供所述第一功率半导体模块(26a)的第二区域(30)和所述第二功率半导体模块(26b)的第一区域(28)。

技术总结
一种具有反向二极管的功率半导体模块，包括：主衬底(18)，其包括金属化层(22)，金属化层被划分为第一区域和第二区域；半导体开关芯片(12)，其具有正端子(T+)和负端子(T-)且通过正端子侧(46a)敷接到第一区域；二极管芯片(14)，其具有阳极(D+)和阴极(D-)且通过阳极侧(48+)敷接到第二区域；散热器(32)，其连接到主衬底(18)；以及辅助衬底(34)，其包括金属化层(36)，金属化层被划分为第三区域(42)和第四区域(44)。半导体开关芯片通过负端子侧(46-)敷接到第三区域(42)。二极管芯片(14)通过阴极侧(48-)敷接到第四区域(44)。第一区域(28)电连接到第四区域(44)并且第二区域(30)电连接到第三区域(42)。第三区域(42)。第三区域(42)。


技术研发人员：柳伟
受保护的技术使用者：采埃孚股份公司
技术研发日：2023.01.05
技术公布日：2023/7/26