半導體模塊系統、半導體模塊及製造半導體模塊的方法
2023-06-22 23:42:21 2
專利名稱：半導體模塊系統、半導體模塊及製造半導體模塊的方法
技術領域：
本申請涉及一種半導體模塊。
背景技術：
對於例如在電力電子電路中使用的電子單元的電連接器之間的很多電連接來說，要求電連接器具有低電阻、高載流容量，並要求允許進行快速簡單的連接和斷開。因此，需要一種改進的連接系統以及改進的電連接器方法
發明內容
根據一方面，半導體模塊系統包括襯底、至少一個半導體晶片、以及多個(至少兩個)導電性第一連接元件。襯底具有底側和沿垂直方向與底側間隔開的頂側。至少一個半導體晶片設置在頂側上。第一連接元件中的每一個具有沿垂直於垂直方向的方向從襯底的絕緣載體突出的第一端。半導體系統進一步包括具有多個(N ^ I個)連接器的連接系統。連接器的第一個包括至少兩個導電性第二連接元件。第二連接元件中的每一個具有第一端。第一連接元件中的每一個的第一端可以與第二連接元件之一的第一端導電連接。本領域的技術人員在閱讀以下的詳細說明並查看附圖後，將認識到其他的特徵和優點。
參照以下附圖和說明能夠更好地理解本發明。圖中的部件不一定是按比例繪製的，重點應放在示出本發明的原理上。此外，在圖中，相同的編號指的是對應的部件。在附圖中圖IA是具有連接器的功率半導體模塊系統的截面圖。圖IB是圖IA的功率半導體模塊系統的頂視圖。圖2A是由圖IA的功率半導體模塊系統形成的功率半導體模塊的截面圖。圖2B是圖2A的功率半導體模塊的頂視圖。圖3是具有堅固底板的功率半導體模塊的截面圖。圖4是具有帶組裝用開口的連接器的功率半導體模塊的截面圖。圖5是具有堅固底板的功率半導體模塊的截面圖。圖6是具有包括壓配觸頭(press-fit contact)的連接器的功率半導體模塊系統的一部分的截面圖。圖7是具有包括彈簧觸頭的連接器的功率半導體模塊系統的一部分的截面圖。圖8A是具有通過鉚接(rivet connection)方式連接的連接器的功率半導體模塊系統的一部分的截面圖。圖8B是完成鉚接後圖8A的功率半導體模塊系統的一部分的截面圖。圖9A是具有框架的功率半導體模塊系統的頂視圖，所述框架由通過形狀配合連接(form-fitting connection)而彼此連接的框架元件組成。圖9B是圖9A的功率半導體模塊系統的側視圖。
具體實施例方式在以下的詳細說明中，參照了附圖，附圖構成說明的一部分，並且其中通過示例的方式示出了實現本發明的具體實施方式
。因此，方位術語，例如「頂」、「底」、「前」、「後」、「前緣」，「後緣」等參照所描述的圖的方向進行使用。由於實施方式的部件可以定位在多個不同的方向上，所以方位術語用於說明性目的，而非限制性的。要理解的是，可採用其他實施方式，且可在不脫離本發明範圍的情況下做出結構或邏輯上的變化。因此，下列詳細說明不應理解為對本發明的限制，本發明的範圍由所附的權利要求書限定。要理解的是，除非另有說明，否則本文描述的各種示例性實施方式的特徵可以相互組合。現在參照圖1A，其示出了功率半導體模塊系統的截面，圖IB是功率半導體模塊的 頂視圖。圖IA的截面沿圖IB所示的E-E截取的面。功率半導體模塊系統包括襯底裝置8，以及用於電連接襯底裝置8的多個(NS I個)連接器6。襯底裝置8包括具有絕緣載體20的襯底2、任選的頂部金屬化層21、以及任選的底部金屬化層22。絕緣載體20使頂部金屬化層21與底部金屬化層22電絕緣。為了允許對功率半導體晶片I進行充分的冷卻，低傳熱阻力是絕緣載體20的重要屬性。因此，絕緣載體20的材料和厚度必須滿足功率半導體模塊的要求。例如，絕緣載體20可以是陶瓷，使得襯底2形成陶瓷襯底。例如，絕緣載體20可包括下列材料中的一種或由下列材料中的一種組成氧化鋁(A1203)、氮化鋁(A1N)、氮化矽(Si3N4)15然後，例如，絕緣載體20中的一個、一些或全部的厚度可以在O. 2mm至2mm之間。在一些實施方式中,襯底2中的至少一個可以是直接覆銅襯底(DCB襯底)、或直接覆鋁襯底(DAB襯底)、或活性金屬釺焊襯底(AMB襯底)。襯底2具有底側2b和在垂直方向V上與底側2b間隔開的頂側2a。至少一個半導體晶片1，例如MOSFET (金屬氧化物半導體場效應電晶體)、IGBT (絕緣柵雙極電晶體)、J-FET (結型場效應電晶體)、二極體或晶閘管設置在襯底2的頂側2a上。襯底裝置8進一步包括多個用於電連接襯底裝置8的至少兩個導電性第一連接元件3。第一連接元件3中的每一個可具有第一端31，各個連接元件3在第一端31沿垂直於垂直方向V的方向從絕緣載體20突出。為了使一個、一些或所有連接元件3與頂部金屬化層21電絕緣，可以將第一絕緣層91設置在頂部金屬化層21和第一連接元件3之間便於絕緣。任選地，第二絕緣層92可以設置在第一連接元件3的背向襯底2的那一側上。在圖IB中，第二金屬化層92被去掉，頂部金屬化層21的輪廓用虛線表示。連接器6中的第一個包括至少兩個導電性第二連接元件4。第二連接元件4中的每一個具有第一端41和第二端42。第一連接元件3中的每一個在第一端31可以與第二連接元件4之一的對應第一端41導電連接。在圖IB中可以看到，在連接器6中，可以將兩個以上第二連接元件4固定在公共底座5上,例如介電底座(dielectric mounting)(例如塑料底座)上。為了將一個、兩個或更多個第二連接元件4緊固在底座5中，可以將各自的第二連接元件4插入(insert)預製底座5中和/或成型(mold)在底座5中。連接器6用於允許將襯底裝置8簡單地電氣連接至外圍設備，例如帶線。在功率半導體模塊的組裝狀態下，功率半導體模塊的外部電連接由第二連接元件4的第二端42實現。為此，在功率半導體模塊的組裝狀態下，可以從功率半導體模塊的外側使用(accessible)第二連接元件4的第二端42。例如，一個、兩個、多於兩個或所有第二連接元件4的第二端42可以在各自底座5的上側5a進行使用，由此上側5a在垂直方向v上與底座5的下側5b間隔一定距離。例如，一個、兩個、多於兩個或所有第二連接元件4的第二端42可以在底座5的上側5a從底座5突出。儘管第二端42設計成分叉的壓配連接器，但其他設計如鍛接接觸件(we I d contact)、螺釘接觸件等。為了使連接器6的所有第二連接元件4與襯底裝置8電連接，可以將各自的連接器6沿圖IA和IB中用箭頭表示的垂直於垂直方向V的方向向襯底裝置8推動，使得第二連接元件4中的每一個的第一端41與第一連接元件3之一的對應第一端31電接觸。從而，連接器6的第二連接元件4的第一端41和第一連接元件3的對應第一端31之間的一個、兩個、多於兩個或全部連接可以是插塞式連接。例如，連接器6的第二連接元件4的第一端41中的每一端可以形成為適用於容納第一連接元件3之一的對應第一端31的插座。相應 地，第一連接元件3的各個第一端31可以形成為插頭。根據一個實施方式，第一連接元件3可以形成為金屬化層或可以由金屬化層形成。例如，這樣的金屬化層沿垂直方向V可以具有厚度d3，就各自的第一連接元件3而言，平均厚度d3大於50 μ m和/或小於200 μ m。然後，這樣的金屬化層沿垂直方向v可以具有小於600 μ m的最大厚度d3max。為了實現低電阻，第一連接元件3可以由銅或具有至少90重量％的銅的合金構成。襯底裝置8可以根據PLIT技術(PLIT=電源層互連技術)進行製造。為此，在第一步驟中，襯底2可以設置並配備至少一個功率半導體晶片I。然後，被形成為連續層的第一絕緣層91可以在第二步驟中沉積在襯底2和功率半導體晶片I的背向襯底2的底側2b的側面上，並且在隨後的第三步驟中被圖案化以獲得第一絕緣層91。第一絕緣層91在功率半導體晶片I的頂側Ia上方和頂部金屬化層21的某些部分的上方具有開口或切口，使得功率半導體晶片I和頂部金屬化層21的頂側接觸通過開口和/或切口實現。然後，在隨後的第四步驟中，金屬層可以設置在第一絕緣層91的上方以便製造第一連接元件3。金屬層可以被預加工成結構化金屬片(例如引線框)或連續金屬片，或者例如以結構化或連續方式作為沉積層沉積在第一絕緣層91和開口或切口上方。例如，用沉積工藝如PVD (物理氣相沉積)或CVD (化學氣相沉積)工藝製造沉積層。第一連接元件3還可以被預加工成單一部件，安裝在各自的目標位置。在用沉積工藝製造金屬層的情況下，在沉積工藝之前提供載體。載體允許將形成第一端31的材料沉積，並且在要製造的金屬層的底側(即金屬層面向襯底2的一側)上支撐第一端31。完成沉積工藝後，至少部分移除載體，以便釋放載體材料的第一端31。例如，可以給要移除的部分打孔並拆除。利用用於載體的、對第一連接元件3的材料沒有較強的粘附性的材料可以使拆除過程更方便。移除載體的另一種可能性是對於沉積金屬層和襯底2選擇性蝕刻載體。至少部分地移除載體的步驟可以在第五步驟之前或之後，在第五步驟中第二絕緣層92沉積在第一連接元件3之上。代替提供並隨後圖案化連續層，圖案化層可以直接用圖案化方式製造，例如通過列印技術或通過將預加工元件提供並連接至層下方。例如，第一連接元件3可以設置成金屬帶，焊接或導電粘附在相應功率半導體晶片I的頂側Ia上和/或頂部金屬化層21的相應部分上，即，在第一絕緣層91中的開口或切口區域。現在參照圖2A，示出了組裝狀態下的圖IA和IB的功率半導體模塊系統，也就是說，所有連接器6與襯底裝置8的第一連接元件3電連接。在組裝狀態下，至少一個半導體晶片I和襯底裝置2可以被框架包圍。在圖1A、1B、2A、2B的實施方式中，框架一部分由連接器6結合至少一個橋接元件7構成。這樣的橋接元件7用於使框架完整。例如，橋接元件7可以由與底座5相同的材料構成。在其他實施方式中，框架可以僅由連接器6組裝而成，由此每個連接器6配備有至少一個第二連接元件4。為了形成穩定的自撐式框架，框架元件(即所有連接器6和所有橋接元件7)可以通過合適的接合方法彼此直接相連，例如通過將框架元件的相鄰元件直接粘附、螺接或嵌合在一起。現在參照圖3，圖3示出了一種功率半導體模塊，其與圖2A和2B的功率半導體模塊的不同之處在於該模塊還包括堅固底板(solid base plate) IO0底板10的厚度可以為 O. Imm至20_，具有低熱阻以允許將至少一個功率半導體晶片I產生的廢熱排至散熱器(未示出)，該散熱器可以連接至底板10的背向至少一個功率半導體晶片I的一側。例如，底板10可以由銅或鋁等金屬製成或由具有至少銅和鋁之一的合金製成。在其他實施方式中，底板10可以由MMC材料(MMC=金屬基複合材料)製成。底板10可以通過焊接(solder)、燒結或粘合而機械接合至襯底2的底側2b。可以在連接器6與襯底裝置8連接之前或之後，將底板10接合至襯底2。圖4示出了一種功率半導體模塊，其與圖2A的功率半導體模塊的不同之處在於連接器6的底座5配備有任選的安裝法蘭51。這樣的安裝法蘭51可進一步包括插入螺釘或另一種安裝工具的安裝開口 52。二者擇一地或者另外地，橋接元件7可以配備有任選包括安裝開口的安裝法蘭。與圖2A的功率半導體模塊的另一不同之處在於在襯底裝置8的背向襯底2的底側2b的一側上設置任選的蓋板12。與圖4的功率半導體模塊相比，圖5所示的功率半導體模塊還具有底板10。底板10可以與圖3的功率半導體模塊的底板10—樣，由相同的材料製成、可以具有相同的厚度、並且可以以相同的方式與襯底2接合。如圖5所示，底板10可以具有任選的安裝開口 11。在圖5的實施方式中，安裝開口 11與法蘭51的安裝開口 52對準。現在參照圖6，圖6示出了功率半導體模塊系統的一部分，該功率半導體模塊系統被解釋為第一連接元件3的第一端31和第二連接元件4的第一端41之間壓配連接(press-fit connection)的功率半導體模塊。通過將第一連接元件3的第一端31插入由第二連接元件4的第一端41形成的插座，並在垂直於垂直方向V的方向朝襯底裝置8按壓連接器6，第一連接元件3的第一端31通過壓配連接可靠地保持在插座中。這樣的壓配連接可以被設計用於形成冷鍛接連接或接觸鍛接連接。圖7的功率半導體模塊系統與參照圖6解釋的功率半導體模塊系統的不同之處在於第二連接元件42的第一端41被形成為接觸彈簧。將第一連接元件3的第一端31插入連接器6之後,接觸彈簧被預拉伸(pretension),從而分別在第一和第二連接元件3和4之間構成緊密的電接觸。在圖8A的實施方式中，第一連接元件3的第一端31具有安裝孔33，在第一連接兀件3的第一端31插入連接器6並垂直於垂直方向V將連接器6壓向襯底裝置8的第一步驟(見標有「I」的箭頭)後，該安裝孔與對應第二連接元件4的第一端41中形成的安裝孔43對齊。在接下來的第二步驟中(見標有「2」的箭頭)，將鎖杆或鉚釘15插入兩個安裝孔33和43中。圖8B示出了插入鎖杆15後的功率半導體模塊。在圖6、7、8A和8B中，用虛線示出任選的底板10。這樣的底板10可以與先前解釋的底板10具有相同的特徵。 現在參照圖9A，圖9A示出了一種功率半導體模塊系統，其與圖IA和IB的功率半導體模塊系統的不同之處在於框架元件(即框架的連接器6和橋接元件7)彼此機械連接，使得框架為自撐式框架。為了實現這樣的框架，框架元件6、7的相鄰元件可以通過可鬆開或不可鬆開的鎖緊連接(locking connection)(例如按扣連接(snapping connection)或鎖扣連接(latching connection))而彼此連接。在圖9A的實施方式中，一部分框架元件6、7具有可以插入圖9A中隱藏的用虛線表示的橋接元件7中的對應容納開口 75中的突出部。圖9B是組裝後的功率半導體模塊的側視圖。根據本文的實施方式顯而易見的是，襯底裝置8的第一端31可以沿襯底2的相對側設置。空間上的相對術語如「在…之下」，「在下面」，「下部」，「在…之上」，「上部」等用於方便進行描述，解釋一個元件相對於另一個元件的定位。除了圖中描述的不同方向之外，這些術語還旨在包含設備的其他不同方向。此外，術語例如「第一」，「第二」等也用於描述各種不同的元件、區域、部分等，但並不是限制性的。在整個說明書中類似術語指的是類似元件。本文所用的術語「具有」、「包含」、「包括(including)」^包括(comprising)」等是開放性術語，表示存在所述的元件或特徵，但不排除其他元件或特徵。除非上下文有明確的說明，否則冠詞「 a」，「 an 」和「 the 」旨在包括複數和單數。鑑於上述範圍的變化和應用，應理解本發明不受前述描述的限制，也不受附圖的限制。相反，本發明僅受所附權利要求書及其法律上的等同物的限制。
權利要求
1.一種半導體模塊系統，包括 襯底，具有底側和在垂直方向上與所述底側間隔開的頂側； 至少一個半導體晶片，設置在所述頂側上； 至少兩個的多個導電性第一連接元件，其中，所述第一連接元件中的每一個的第一端沿垂直於所述垂直方向的方向從所述襯底的絕緣載體突出； 連接系統，包括N ^ I個的多個連接器； 其中，所述連接器中的第一個包括至少兩個導電性第二連接元件，所述第二連接元件中的每一個具有第一端； 其中，各個所述第一連接元件的第一端能與所述第二連接元件之一的第一端導電連接。
2.根據權利要求I所述的半導體模塊系統，其中，各個所述第一連接元件的第一端通過插塞式連接與所述第二連接元件之一的第一端導電連接。
3.根據權利要求I所述的半導體模塊系統，其中，各個所述第一連接元件被形成為在垂直方向上的平均厚度小於200 iim的金屬化層。
4.根據權利要求I所述的半導體模塊系統，其中，各個所述第一連接元件被形成為在垂直方向上的最大厚度小於600 V- m的金屬化層。
5.根據權利要求I所述的半導體模塊系統，其中，所述第二連接元件的各個第一端被形成為插座，所述插座被配置用於容納所述第一連接元件之一的第一端。
6.根據權利要求I所述的半導體模塊系統，其中，所述第一連接元件的各個第一端被形成為插頭。
7.根據權利要求I所述的半導體模塊系統，其中，所述第一連接元件的第一端沿所述襯底的相對側設置。
8.—種半導體模塊,包括 襯底，具有底側和在垂直方向上與所述底側間隔開的頂側； 至少一個半導體晶片，設置在所述頂側上； 至少兩個的多個導電性第一連接元件，其中，所述第一連接元件中的每一個的第一端沿垂直於所述垂直方向的方向從所述襯底的絕緣載體突出； 連接系統，包括N ^ I個的多個連接器； 其中，所述連接器中的第一個包括至少兩個導電性第二連接元件，所述第二連接元件中的每一個具有第一端； 其中各個所述第一連接元件的第一端與所述第二連接元件之一的第一端導電連接。
9.根據權利要求8所述的半導體模塊，其中，所述第一連接元件中的至少一個與所述第二連接元件之一形成壓配連接。
10.根據權利要求8所述的半導體模塊，其中，所述第二連接元件中的至少一個第一端被形成為接觸彈簧。
11.根據權利要求8所述的半導體模塊，其中，所述第一連接元件中的至少一個第一端通過鎖杆或鉚釘與所述第二連接元件之一的第一端連接。
12.根據權利要求8所述的半導體模塊，其中，所述第一連接元件中的至少一個第一端焊接或鍛接至所述第二連接元件之一的第一端。
13.根據權利要求8所述的半導體模塊，其中，所述第一連接器包括固定所述第二連接元件的介電底座。
14.根據權利要求13所述的半導體模塊，其中，所述第二連接元件插入和/或成型在所述介電底座中。
15.根據權利要求13所述的半導體模塊，其中 所述介電底座具有下側和在垂直方向上與所述下側間隔開的上側；並且 所述第二連接元件中的每一個具有能在在所述上側使用的第二端。
16.根據權利要求8所述的半導體模塊，其中，所述連接系統包括圍繞所述半導體晶片並且部分或全部通過N > 2的多個連接器形成的框架。
17.根據權利要求8所述的半導體模塊，其中，所述襯底包括設置在所述絕緣載體上的 頂部金屬化層。
18.根據權利要求17所述的半導體模塊，其中，所述半導體晶片設置在所述頂部金屬化層的背向所述絕緣載體的那一側上。
19.根據權利要求17所述的半導體模塊，其中，在所述頂部金屬化層和所述第一連接元件之間設置有絕緣層。
20.根據權利要求8所述的半導體模塊，其中，所述第一連接元件的第一端沿所述襯底的相對側設置。
21.一種製造半導體模塊的方法，包括 提供襯底裝置，該襯底裝置包括 具有底側和在垂直方向上與所述底側間隔開的頂側的襯底； 設置在所述頂側上的至少一個半導體晶片； 至少兩個的多個導電性第一連接元件，其中，所述連接元件中的每一個的第一端沿垂直於所述垂直方向的方向從所述襯底的絕緣載體突出； 提供包括N ^ I個的多個連接器的連接系統，其中，所述連接器中的第一個包括至少兩個導電性第二連接元件，並且所述第二連接元件中的每一個具有第一端； 使各個所述第一連接元件的第一端與所述第二連接元件之一的第一端導電連接。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，將所述第二連接元件的各個第一端插入所述第一連接兀件之一的第一端。
23.根據權利要求21所述的方法，其中，在插入步驟中，將N個連接器中的每一個在垂直於所述垂直方向的方向上推向所述襯底裝置。
24.根據權利要求21所述的方法，其中，所述第一連接元件的第一端沿所述襯底的相對側設置。
全文摘要
本發明涉及半導體模塊系統、半導體模塊及製造半導體模塊的方法。一種半導體模塊系統，包括襯底、至少一個半導體晶片、以及至少兩個導電性第一連接元件。襯底具有底側和在垂直方向上與底側間隔開的頂側。至少一個半導體晶片設置在頂側上。第一連接元件中的每一個具有沿垂直於垂直方向的方向從襯底的絕緣載體突出的第一端。半導體系統進一步包括具有N≥1個連接器的連接系統。多個連接器中的第一個包括至少兩個導電性第二連接元件。第二連接元件中的每一個具有第一端。第一連接元件中的每一個的第一端可以與第二連接元件之一的第一端導電連接。
文檔編號H01L25/16GK102810531SQ20121016798
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月25日 優先權日2011年6月3日
發明者奧拉夫·基爾施, 蒂洛·斯託爾澤 申請人:英飛凌科技股份有限公司