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功率電子設備模塊的制作方法

文檔序號:19837911發布日期:2020-02-04 13:22
功率電子設備模塊的制作方法

本發明涉及一種功率電子設備模塊。



背景技術:

包含固態開關器件如igbt或功率mosfet的功率電子設備模塊被用于各種功率電子設備應用中,以對電流進行切換或整流。一種重要且快速增長的應用是用于電動或混合動力車輛的轉換器系統。用于此類應用的典型六件套模塊可具有高達1200v的額定電壓和數百安的額定電流。由于電動車輛中的安裝空間通常非常有限且受到幾何形狀的約束,所以電氣傳動系統的功率電子設備模塊和轉換器盡可能緊湊以允許靈活的安裝是非常有利的。

一種增加功率電子設備模塊的功率密度的方法是芯片堆疊,即,棄用半導體芯片的并排布置的傳統二維電路布局而轉向第三維的布置。例如,可以將半導體開關及其續流二極管一起堆疊到芯片疊層中。

盡管可以通過芯片堆疊來減小半導體芯片的占用空間,但是其它板載部件和電導體仍然布置在芯片疊層的旁邊,并且可能導致進一步明顯的占用空間和相應的雜散電感,這可能導致顯著的電磁耦合。

此外,芯片堆疊可能導致涉及多個單獨的粘結層界面和材料的復雜制造序列。

jp2004311685a、us2012181996a1和us2013113114a1示出了具有堆疊的半導體芯片的電子設備模塊。



技術實現要素:

本發明的一個目的是提供一種具有增強的功率密度的功率電子設備模塊,該功率電子設備模塊具有通過該功率電子設備模塊提供的半導體芯片的電氣互連所產生的低雜散電感。本發明的另一目的是簡化功率電子設備模塊的制造。

這些目的通過獨立權利要求的主題來實現。根據從屬權利要求和以下描述,其它示例性實施例是顯而易見的。

本發明涉及一種功率電子設備模塊。功率電子設備模塊可以是機械地和電氣地支持一個或多個半導體芯片的任何組件。必須指出的是,術語“功率”可以與以下模塊和/或半導體芯片有關,即,其適于處理100v以上的電壓和/或10a以上。

根據本發明的一個實施例,該功率電子設備模塊包括:具有襯底金屬化層的襯底,該襯底金屬化層被分成用于為功率電子設備模塊提供導電路徑的多個導電區域;至少一個半導體開關芯片,其利用第一功率電極結合至襯底金屬化層的第一導電區域;導體板,該導體板結合至半導體開關芯片的與第一功率電極相對的第二功率電極;以及柵極導體,該柵極導體結合至半導體芯片的除第二功率電極以外的柵電極。

所述襯底可以是陶瓷襯底,其在至少一側上設置有金屬化層,該金屬化層可以是銅層。半導體開關芯片可以包括晶體管或晶閘管。例如,半導體開關芯片可以是igbt或mosfet。半導體開關芯片可以基于寬帶隙材料,例如sic。

如將在下面更詳細描述的,該功率電子設備模塊還可以包括具有二極管的半導體芯片,該二極管可以與半導體開關芯片的開關反并聯連接。同樣,具有二極管的半導體芯片可以基于諸如sic的寬帶隙材料。寬帶隙半導體芯片可以減少損耗和/或具有在較高接合溫度(例如高于200℃)下工作的能力。

所述半導體開關芯片以及具有二極管的所述另一半導體芯片可以是具有兩個平坦側面的豎向器件,在所述兩個平坦側面上設置有兩個功率電極。一個功率電極可以是相應芯片上的金屬化層,其適于傳導要通過芯片的半導體元件切換的電流。另一方面,柵電極的面積可以小于功率電極的面積。

第一功率電極可以是集電極,第二功率電極可以是發射極。在這種情況下,所述導體板可以是發射極導體的一部分。

所述半導體開關芯片可以結合至襯底金屬化層的一個導電區域并結合至導體板。在本文中,“結合(bonding)”可以指與導電材料的釬焊、燒結、熔焊和/或膠合。

所述導體板可以是適于傳導電流通過半導體開關芯片的任何基本上扁平的導電體。例如,導體板可以由金屬板、金屬片或印刷電路板的金屬化層制成。印刷電路板可以包括塑料襯底,該塑料襯底在一面或兩面上包括一個或多個金屬化層。

所述柵極導體僅需要適于將控制信號傳導至半導體開關芯片。例如,柵極導體可以包括一條或多條結合線和/或印刷電路板的金屬化層。

根據本發明的一個實施例,導體板延伸到襯底金屬化層的第二導電區域,并且柵極導體延伸穿過布置在柵電極上方的導體板中的開口。在此上下文中,術語“延伸”可以指導體板在半導體開關芯片的一側上方突出和/或導體板朝向襯底上的第二導電區域延伸。

以這種方式,除了柵電極之外,導體板可以完全覆蓋半導體開關。此外,對于定向導體板具有更大的靈活性。例如,結合至襯底金屬化層的柵極導體的端部可以定位在與柵極導體的取向相同的方向上。

另外,柵極導體和導體板可以堆疊,這最大限度地減小了功率電子設備模塊內部的電導體的占用空間。因此,作為另一個優點,可以提高功率電子設備模塊的功率密度。

作為第三個益處,平行取向的柵極導體和導體板可以減少柵極回路——即,功率電子設備模塊的電路的將柵極通常與半導體開關芯片的發射極互連的部分——的雜散電感。除了換流回路和柵極回路的低雜散電感以外,還減少了這些回路之間的耦合,這可以導致更快和更清晰的切換。

根據本發明的一個實施例,導體板中的所述開口是通孔。例如,開口可以相對于導體板居中,和/或可以相對于導體板的朝向結合至襯底金屬化層的端部的取向位于導體板的中間。

然而,開口也可以位于導體板的邊界處,和/或可以是導體板的邊界中的凹部。

根據本發明的一個實施例,柵極導體在導體板上方延伸。柵極導體和導體板可以在相同的方向上定向。這可以導致基本同軸的柵極-發射極電路布置。柵極導體和導體板也可以至少部分地相對于彼此基本平行地延伸。

根據本發明的一個實施例,柵極導體包括結合線。結合線可以結合至柵電極,可以延伸穿過導體板中的開口,可以沿著導體板和/或在導體板上方延伸。結合線可以在其另一端處結合至另一導體,該另一導體例如可以由襯底和/或附接到導體板的頂部的印刷電路板提供。

必須指出的是,本文中使用的術語“頂部”和“底部”可以是指相對于功率電子設備模塊的襯底的面的取向。頂面可以背離襯底,而底面可以面向襯底。例如,第一功率電極可以是底部電極,而第二電極和柵電極可以是頂部電極。

根據本發明的一個實施例,所述導體板是金屬夾。導體板可以由金屬片或金屬板制成,并且可以彎折成使得它的可以結合至第二功率電極和襯底金屬化層的端部處于要求的高度處。金屬夾還可以彎折成使得可以具有開口的中間部分處于比金屬夾的端部更高的高度處。一般而言,該金屬夾可以是彎折的金屬夾。

根據本發明的一個實施例,金屬夾通過第一端結合至第二功率電極,并且金屬夾通過第二端結合至襯底金屬化層的第二導電區域。類似于襯底金屬化層的第一導電區域,第二導電區域可以連接到功率電子設備模塊的相應端子。

根據本發明的一個實施例,柵極導體襯底附接到金屬夾的第二端上,該柵極導體襯底具有與結合線結合的柵極金屬化層。柵極導體襯底可以是印刷電路板或直接結合的銅襯底。在導體板上方引導和/或堆疊柵極的電氣路徑可以附加地減小功率電子設備模塊的電導體的占用空間。柵極導體襯底可以被實現為在功率電子設備模塊的一個或多個半導體開關芯片的一個或多個導體板上方的帶狀線。

另外,在柵極導體之后的柵極路徑也可以具有低電感。總之,當柵極導體被引導穿過導體板的開口并且結合至被實現為帶狀線的柵極導體襯底時,這可以提供極好的同軸布置,以使雜散電感和串擾最小化。

根據本發明的一個實施例,將結合預成型件結合至金屬夾的第一端上,其中第二半導體芯片利用第一功率電極結合至結合預成型件上。第二半導體芯片可以是二極管和/或可以基于sic襯底,即,第二半導體芯片可以是sic二極管。二極管可以反并聯連接至半導體開關芯片的開關。

這可以導致一種堆疊的半導體芯片布置,其減小了功率電子設備模塊的半導體芯片的占用空間。而且,結合預成型件可以用作結合間隔件,即,可以具有第一半導體芯片和第二半導體芯片盡可能遠地間隔開以滿足電壓清除和間隙的要求的高度。

此外,利用結合預成型件可以簡化半導體芯片疊層的結合。雙面的結合預成型件可以允許通過拾取和放置過程以自動化友好的方式制造疊層。在金屬夾上預先施加的燒結膏可進一步改善可制造性。另外,結合層和附加間隔件不會由于熱膨脹而不能配合。

根據本發明的一個實施例,結合預成型件是具有金屬材料的芯部和燒結材料的兩個外層的燒結預成型件,該兩個外層適于將金屬夾和第二半導體芯片燒結在結合預成型件上。燒結材料可以是由ag制成的多孔材料,例如由納米顆粒——即直徑小于1000nm的顆粒——制成。芯部可以由ag板或另一種金屬材料的板制成。

在半導體開關芯片的頂面上進行燒結可以具有以下優點:避免在敏感邊緣終端區域附近處于液相的任何導電結合材料,其可能例如由于在加工期間的飛濺和/或焊珠而導致產量損失。

根據本發明的一個實施例,結合預成型件可以是瞬態液相結合預成型件。這樣的預成型件可以由兩種不同金屬材料的顆粒和/或元件制成,這兩種不同金屬材料適于形成熔點在這兩種金屬材料之間的合金。例如,這種預成型件可以由填充有sn或sn焊料的cu網制成,其在加熱時轉變成金屬間cu/sn相。

根據本發明的一個實施例,第二金屬夾結合至第二半導體芯片的與第一功率電極相對的第二功率電極。第二金屬夾可以結合至襯底金屬化層的第一導電區域。這種夾也可以覆蓋基本上所有的第二功率電極和/或第二半導體芯片。必須指出的是,第二金屬夾可以在與結合在第一和第二半導體芯片之間的第一金屬夾不同的方向上定向。換句話說,這些金屬夾的從半導體芯片的疊層突出的端部可以在不同取向的方向上突出,例如基本正交的方向。

根據本發明的一個實施例,電子部件附接到第二半導體芯片上方的第二金屬夾上。第二半導體芯片上方的空間可用于定位功率電子設備模塊的附加部件。該部件可以包括電子部件、無源元件和/或端子。當將功率電子設備模塊的其它部件放置在第二半導體芯片的頂部上時,可以減小整個襯底的占用空間。

無源元件可以包括溫度傳感器、柵極電阻器、去耦電容器、其它傳感器和/或濾波器。

這些部件可以例如通過溫度傳感器提供功率電子設備模塊的在線診斷,該溫度傳感器可以熱耦合到半導體芯片的疊層。此外,這些部件可以包括加速度計、振動傳感器等。

第二半導體芯片上的端子可以被設計用于向功率電子設備模塊的外部提供功率和/或輔助連接。這樣的端子可以豎向布置并且可以從功率電子設備模塊沿相同方向突出。這可以進一步最小化功率電子設備模塊的導體的占用空間。

根據本發明的一個實施例,具有金屬化層的頂部襯底在第二半導體芯片上方附接到第二金屬夾上。例如,頂部襯底可以是電路板,諸如聚合物和/或陶瓷電路板,例如dbc(直接結合cu)、dba(直接結合al)、amb(活性金屬釬焊)和ltcc(低溫共燒制陶瓷)襯底。

根據本發明的一個實施例,一個部件附接到頂部襯底上。例如,頂部襯底可以是具有電子部件的電路板。如果分立部件要求電絕緣的附接,則電路板和分立部件的組合是有益的。

此外,可以將一條或多條結合線結合至頂部襯底。例如,頂部襯底可以用作兩條結合線互連布置之間的中間導體。

根據本發明的一個實施例,功率電子設備模塊包括:附接在半導體開關芯片上的印刷電路板,其中所述導體板是印刷電路板的外部金屬化層。

結合至襯底金屬化層的所述一個或多個半導體開關芯片可以與印刷電路板堆疊,在印刷電路板中嵌入一個或多個第二半導體芯片,其例如提供二極管。可以通過嵌入在印刷電路板中來預先封裝第二半導體芯片,并且可以將印刷電路板結合至所述一個或多個半導體開關芯片的所述一個或多個第二功率電極。

根據本發明的一個實施例,一導電間隔件互連在襯底金屬化層的第二導電區域與印刷電路板的外部金屬化層所提供的導體板之間。該間隔件可以具有與半導體開關芯片相同的高度,以補償印刷電路板的底面與功率電子設備模塊的襯底之間的距離。

根據本發明的一個實施例,柵極導體包括印刷電路板的金屬化層。在印刷電路板的內部和/或表面上可以存在多層導電層。例如,柵極導體可以是中間金屬化層。以這種方式,柵極-發射極環路的一部分可以由以小的間距平行布置的導體提供。

柵電極可以結合至由印刷電路板提供的金屬化層的一個區域。以此方式,可在一個步驟中制造半導體開關芯片的柵極連接件和發射極連接件。

根據本發明的一個實施例,印刷電路板包括在導體板中的所述開口上方的開口。柵極導體可以包括被引導穿過這兩個開口的結合線,這兩個開口即印刷電路板中的開口和結合至半導體芯片的第二功率電極的導體板中的開口。在這種情況下,結合線可以例如在印刷電路板的頂面上結合至印刷電路板的金屬化層。

根據本發明的一個實施例,第二半導體芯片被嵌入印刷電路板中并與導體板電氣互連。如已經提到的,印刷電路板可以包括一個或多個二極管芯片,其可以在印刷電路板內部連接到用作導體板的金屬化層。

根據本發明的一個實施例,第二半導體芯片經由印刷電路板的一個或多個金屬化層與襯底金屬化層的第一導電區域互連。可以具有與半導體開關芯片相同的高度的導電間隔件可以互連在第一導電區域與印刷電路板之間。以這種方式,可在一個步驟中制造印刷電路板與具有半導體開關芯片的襯底之間的電氣互連裝置。

參考下文描述的實施例,本發明的這些和其它方面將變得明顯并予以闡明。

附圖說明

下面將參考附圖中示出的示例性實施例更詳細地說明本發明的主題。

圖1示意性地示出了根據本發明的一個實施例的功率電子設備模塊的截面圖。

圖2示意性地示出了根據本發明的又一實施例的功率電子設備模塊的截面圖。

圖3示意性地示出了根據本發明的又一實施例的功率電子設備模塊的截面圖。

圖4示意性地示出了根據本發明的又一實施例的功率電子設備模塊的截面圖。

圖5示意性地示出了根據本發明的又一實施例的功率電子設備模塊的截面圖。

圖6示意性地示出了根據本發明的又一實施例的功率電子設備模塊的截面圖。

圖7示意性地示出了根據本發明的又一實施例的功率電子設備模塊的頂視圖。

附圖中使用的附圖標記以及它們的含義以概括形式在附圖標記列表中列出。原則上,附圖中對相同的部件提供相同的附圖標記。

具體實施方式

圖1示出了功率電子設備模塊10,其包括襯底12,例如陶瓷襯底,在襯底的頂面上具有金屬化層14。可以是銅層的金屬化層14可以被分割成多個導電區域16、18。導電區域16可以與功率電子設備模塊的dc-端子20或ac端子22連接(參見圖7)。導電區域18可以與ac端子22或dc+端子24連接。

在導電區域16上,半導體開關芯片26與第一底部電極28結合。半導體開關芯片26可以基于sic和/或可以提供igbt或mosfet。在另一上側面上,半導體開關芯片28包括第二上部功率電極30,并且除了功率電極30之外還包括柵電極32。半導體開關芯片26可以具有基本平坦的主體和/或電極28、30、32可以是基本上平坦的金屬層。

功率電極30與金屬夾34的第一端結合,金屬夾34可以看作是導體板34,其通過第二端結合至導電區域16。金屬夾可以由銅板或銅片制成。金屬夾34被彎折,使得其端部位于功率電極30和導電區域16的高度上,并使得中間部分36相對于功率電極30抬高。在中間部分36中,金屬夾34包括位于柵電極30上方的開口38。如虛線所示,金屬夾34的各部分在開口38的外部彼此互連。如圖7所示,開口38可以是通孔,其可以在金屬夾34中居中。

返回圖1,形式為結合線40的柵極導體40被引導穿過開口38,并通過一端與柵電極32結合。結合線40通過另一端與柵極導體襯底42結合,柵極導體襯底42可以包括電絕緣中間層44和兩個外部導電層46、48。利用層46可以將柵極導體襯底42結合至金屬夾34的與導電區域16結合的端部的上側面。結合線40結合至柵極導體層48。柵極導體襯底42可以是印刷電路板或直接結合的銅陶瓷襯底。

如圖7所示,柵極導體襯底42可以設計成如同經由多個金屬夾34被引導的帶狀線。

結合線40沿與金屬夾34相同的方向延伸。由于金屬夾34中的開口38,結合線40在金屬夾34上方延伸,并與金屬夾34上的柵極導體襯底42一起延伸,柵極-發射極環路的雜散電感得以減少。此外,功率電子設備模塊10的組成部件的布置是緊湊的并且可以提高功率密度。

圖2示出了第二半導體芯片50可以與半導體芯片18堆疊。半導體芯片50經由結合預成型件54與底部電極52一起結合至金屬夾34的與半導體芯片18結合的端部的上側面。

結合預成型件54可以由金屬芯部56制成,兩個燒結材料層58附接到該金屬芯部56。例如,芯部56可以由ag或cu制成,和/或燒結層58可以由ag顆粒諸如納米ag顆粒制成。可以調節結合預成型件54的芯部56,從而提供足夠的間隙距離以使第二半導體芯片50的邊緣終端絕緣。例如,該間隙距離可以是150μm以隔離額定1.2kv的芯片26、50。

第二半導體芯片50的上部電極60可以通過結合線61與第一導電區域18連接。第二半導體芯片50可以提供二極管,該二極管以這種方式與第一半導體芯片26的開關反并聯連接。

圖3示出:可替代地,第二半導體芯片50的上部電極60可以利用可由銅制成的另一金屬夾62與第一導電區域18連接。類似于金屬夾34,金屬夾62可以被彎折,以補償電極60與導電區域18之間的高度差。

如圖7所示,第二金屬夾62可以在與金屬夾34不同的方向上定向。第二金屬夾62的與金屬化層14連接的端部可以從半導體芯片26、50的疊層沿與第一金屬夾34不同的方向延伸。在圖7中,金屬夾34、62相對于彼此正交地定向。

返回圖3,在金屬夾62的結合至半導體芯片50的上部電極60的端部的頂部上,可以附接功率電子設備模塊10的部件64。這樣的部件64可以是端子,其在半導體芯片26、50的疊層正上方從功率電子設備模塊10突出。部件64也可以是溫度傳感器或其它傳感器。

如圖4所示,另一襯底66可以結合在金屬夾62的與半導體芯片50的上部電極60結合的端部的頂部上,該另一襯底66可以承載這樣的部件64。該另一襯底66可以包括電絕緣芯部68和兩個外部導電層70。例如,該另一襯底可以是印刷電路板或直接結合的銅襯底。

功率電子設備模塊10的制造可以通過以下方式進行:

在第一步驟中,可以將半導體開關芯片26結合至襯底12,并且可以將金屬夾34結合至半導體開關芯片26和導電區域16。

在第二步驟中,可以將第二半導體芯片50結合至金屬夾62。或者,可以在接下來的第三步驟中將結合線61結合。

在第三步驟中,將燒結預成型件54放置在半導體開關芯片26上,并且將半導體芯片50任選地與金屬夾62一起通過燒結工藝結合至半導體開關芯片26。

功率電子設備模塊的結合界面之間的所有結合過程都可以通過ag燒結來實現。為了允許良好的可制造性,金屬夾34、62可以在結合界面處具有預先施加的燒結膏。

圖5和6示出了替代實施例,其中第二半導體芯片50被嵌入印刷電路板72中,印刷電路板72被附接在第一半導體芯片26的頂部上。

印刷電路板72具有多個金屬化層34’、74、76、78、80。設置在印刷電路板72的塑料主體的底面上的金屬化層34’在一端處結合至半導體開關芯片26的上部功率電極30,并且可以被看作導電板34’。金屬化層34’在另一端結合至導電間隔件82,該導電間隔件82可以由銅塊制成和/或結合至導電區域16。

金屬化層34’具有開口38,金屬化層76布置在開口38中,該金屬化層76也設置在印刷電路板72的底面上。金屬化層76利用通路(via)與金屬化層74互連,金屬化層74與金屬化層76一起形成柵極導體40’。金屬化層76結合至半導體芯片26的柵電極。

金屬化層80也設置在印刷電路板72的底面上,并結合至另一導電間隔件84,該另一導電間隔件84可以由銅塊制成和/或結合至導電區域18。半導體開關芯片50經由金屬化層78和多個通路與金屬化層34’和金屬化層80互連。

圖6示出了印刷電路板72的塑料主體還可以具有布置在開口38上方的開口86。可以引導結合至柵電極32的結合線88穿過兩個開口38、86,結合線88的另一端可以結合至印刷電路板的頂面。在這里,結合線88可以例如利用通路與金屬化層76互連。在這種情況下,柵極導體40’也可包括結合線88。

圖7示出了具有兩對由兩個半導體芯片26、50組成的疊層的功率電子設備模塊10,其可以如圖3和4所示地設計。每對疊層并聯連接并且形成半橋的一個臂。dc-端子20、ac端子22和dc+端子24提供與該半橋的互連。此外,功率電子設備模塊10提供柵極端子90和輔助發射極端子92,它們對于每對并聯的疊層均并排布置。

柵極端子90經由結合線與柵極導體襯底42連接,并且柵極信號經由導電區域16上方的柵極導體襯底42所提供的帶狀線以及金屬夾34的端部被傳導,此后柵極信號由在金屬夾34上方延伸并進入開口38的結合線40傳導。這導致低電感、低耦合和低占用空間。

雖然已在附圖和前面的說明書中示出和詳細描述了本發明,但這種圖示和描述應該被認為是說明性的或示例性的而非限制性的;本發明并不限于所公開的實施例。通過研究附圖、公開內容和所附權利要求,本領域中實施要求保護的發明的技術人員可以理解和實現所公開實施例的其它變型。在權利要求書中,用詞“包括”不排除其它要素或步驟,并且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。單個處理器或控制器或其它單元可實現在權利要求書中記載的多個項目的功能。在彼此不同的從屬權利要求中記載特定措施的單純事實并不表示這些措施的組合不能有利地使用。權利要求中的任何附圖標記均不應被解釋為限制保護范圍。

附圖標記列表

10功率電子設備模塊

12襯底

14金屬化層

16導電區域

18導電區域

20dc-端子

22ac端子

24dc+端子

26半導體開關芯片

28功率電極

30功率電極

32柵電極

34金屬夾

36中間部分

38開口

40柵極導體,結合線

42柵極導體襯底

44隔離中間層

46導電層

48柵極導體層

50半導體芯片

52功率電極

54結合預成型件

56金屬芯部

58結合層

60功率電極

61結合線

62金屬夾

64電氣/電子部件

66另一襯底

68電隔離芯部

70導電層

72印刷電路板

34’導體板,金屬化層

40’柵極導體

74金屬化層

76金屬化層

78金屬化層

80金屬化層

82導電間隔件

84導電間隔件

86開口

88結合線

90柵極端子

92輔助發射極端子

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