CN101785104A - 借助从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件的模块构建和连接技术 - Google Patents

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K·韦德纳
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Abstract

本发明涉及一种模块(1)，其具有至少一个不带壳体的电子器件(2)、尤其是不带壳体的半导体器件或者不带壳体的半导体功率器件，该模块(1)分别具有至少一个布置在上侧和/或下侧上的用于电接触和/或用于进行紧固的连接面(3)，其中所述至少一个器件(2)分别定位在衬底(5)之间，使得连接面(3)分别与衬底(5)上的和连接面(3)对置的电导体(7)和/或紧固面电接触和/或紧固。任务是提供成本低廉的电接触，尤其是具有高的集成密度、低电感性的特性、高的电流容量、良好的冷却和在电和热循环负荷方面的高可靠性的电接触。本发明的特征在于，衬底(5)中的至少一个是从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)，所述从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)可以与在平面中延伸的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(11)组合。模块(1)尤其是适合于大于1000V的高压范围和相对应的电子器件(2)。

Description

借助从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件的模块构建和连接技术
技术领域
本发明涉及一种根据主权利要求的前序部分所述的模块以及一种根据附加权利要求的前序部分所述的方法。
背景技术
传统上，为了成本低廉地电接触一个或更多不带壳体的(ungehaeust)电子器件和/或无源器件，尤其是在功率电子装置中使用直接敷铜(DCB，Direct Copper Bonding)陶瓷作为衬底，其中电子器件平面地在背侧上被钎焊上(aufloeten)并且借助厚线接合(Dickdrahtbonden)或可替选地借助根据WO 03030247的平面接触来实施器件上侧的接触。根据所述平面接触，厚线接合通过层压绝缘膜、打开接触窗、接着激光烧蚀以及通过借助电流沉积的金属化部来产生平面连接而被替代。对此，WO 03030247的内容完全属于本申请的公开内容。在产生DCB陶瓷时，在陶瓷的上侧和下侧上滚上铜板，并且在约1080℃的情况下与其形状配合地(formschluessig)相连。接着，两个铜侧中的至少一个以湿化学方式被结构化。
传统的接触具有低的集成密度的缺点，以及具有在线接合连接的区域中的高的漏电感以及低的电流容量、差的冷却的缺点和在电和热循环负荷方面具有低可靠性。
发明内容
本发明的任务是在不带壳体的电子器件、尤其是功率电子装置方面、尤其是针对大于1000V的高压范围的功率电子装置方面提供了成本低廉的电接触，尤其是具有高的集成密度、低电感性的特性、高的电流容量、良好的冷却和在电和热循环负荷方面的高可靠性的电接触。
该任务通过根据主权利要求所述的模块以及根据附加权利要求所述的用于制造这样的模块的方法来解决。
三维成形的引线框架是导电的(尤其为金属的)三维成形的结构，例如为格栅形式的结构，该格栅例如通过成本低廉的冲压、刻蚀和/或弯曲(例如成卷或者成条)来制造。三维成形意味着从平面中弯曲出。适合于作为材料的优选是Cu合金，例如是锡青铜CuSn6或者SB02、即Cu98Fe2。通常的厚度在0.2mm至0.5mm的范围中。与在此所限定的三维成形的引线框架不同，同样使用平面的引线框架。三维成形的引线框架和平面的引线框架的总概念是引线框架。在这些实施例中，三维成形的引线框架被用作冲压弯曲件(Stanzbiegeteil)或者冲压格栅(Stanzgitter)。
引线框架的三维成形、将电子器件布置在两个引线框架之间以及将经过注塑的塑料用作绝缘材料的组合导致许多优点。特别有利地，可以使用成本低廉的材料，其通过由高导电的材料构成的厚的引线框架和芯片的低电感性的接触提供了高的电流容量。
其它有利的扩展方案在从属权利要求中得到。
根据另一有利的扩展方案，除了三维成形的引线框架之外还可以使用平面的引线框架。以这种方式可以简单地接触和/或紧固(befesitigen)电子器件。
根据另一有利的扩展方案，在使用两个器件的情况下，三维成形的引线框架与在第一器件的上侧上的和在第二器件的下侧上的连接面电接触和/或紧固。
根据另一有利的扩展方案，平面的引线框架分别与相应器件(即第一器件和第二器件)的另外的侧的连接面电接触和/或紧固。
根据另一有利的扩展方案，至少一个其它的三维成形的引线框架可选地与其它的电接触的和/或紧固的器件电接触和/或紧固，使得器件通常在上侧和下侧被三维成形的引线框架包围。以这种方式可特别简单地实施三维堆叠。
根据另一有利的扩展方案，平面的引线框架分别与器件的没有三维成形的引线框架的连接面电接触和/或紧固。以这种方式可以特别简单地产生外接触部。
根据另一有利的扩展方案，金属体针对电功能和/或为了进行冷却和/或为了增大三维成形的引线框架的厚度而在所述引线框架上和/或在器件上被紧固和/或被电接触。
根据另一有利的扩展方案，所使用的引线框架具有不同的厚度和/或材料。
根据另一有利的扩展方案，为了产生高的绝缘强度，在三维成形的引线框架上成形的间隔支架和/或相对应成形的三维成形的引线框架使三维成形的引线框架与器件的边缘间隔。
根据另一有利的扩展方案，为了避免短路而中断由三维成形的引线框架产生的桥路。在接触之前需要这样的桥路来使三维成形的引线框架在机械方面稳定。
根据另一有利的扩展方案，至少一个三维成形的引线框架被构造为冷却体和/或通过接触面与至少一个散热器形状配合地连接。以这种方式得到了由散热器产生的有效的冷却可能性，所述散热器可以在模块两侧被产生。
根据另一有利的扩展方案，在三维成形的引线框架、可能存在的平面的引线框架与器件之间的自由区域填充以电绝缘的材料。在该材料中可以产生冷却通道或者热管。同样，以这种方式，当电绝缘的材料以导热方式被实施时，例如通过填充以氧化铝颗粒来实施时，得到了有效的冷却可能性。根据另一有利的扩展方案，模块的向外的电端子通过没有绝缘材料的引线框架来提供。
根据另一有利的扩展方案，电绝缘的材料的膨胀系数与引线框架的材料相匹配。
根据另一有利的扩展方案，为了产生高的循环稳定性(Zykelfestigkeit)，电绝缘的材料的膨胀系数被选择为使得构建过大张力(Verspannung)，该过大张力以机械方式减轻在器件和引线框架之间的连接层(尤其是焊层)的负荷。以这种方式得到了特别高的热机械的和电的循环稳定性。
根据按照本发明的方法，电接触和/或紧固尤其是借助钎焊、至金属间相的反应钎焊(Reaktionsloeten zu intermetallischenPhasen)、焊接(尤其是激光焊接)、导电的和/或不导电的粘合来进行。
根据另一有利的扩展方案，在电接触小的连接面(例如栅极接触部和/或控制接触部)之前，在器件的侧上和/或在引线框架的侧上产生块(Bump)。这样的块例如是焊料块、柱形凸块(Studbump)或者导体粘合剂坑(Leiterkleberdepot)。在焊料块的情况下，所述焊料块可以或者通过钎焊过程本身来产生，或者已经在此之前例如在晶片上被产生，即可以实施所谓的晶片级加工(Wafer Level Processing)。在这种情况下，在实际的钎焊工艺之前将焊剂引至接触部位是足够的。
根据另一有利的扩展方案，在电接触小的连接面之前，引线框架中的凸起部或者接触舌簧尤其是借助冲压和/或压印来产生。以这种方式简化了小的连接面的接触。
根据另一有利的扩展方案，三维成形的引线框架仅在电接触和/或紧固器件和/或金属体和/或间隔支架之后形成其三维形状。
根据另一有利的扩展方案，在接触之前，例如借助冲压、钻孔或者激光切割来分开为了使三维引线框架在机械方面稳定而产生的桥路。分开在此可以以简单的方式来实施。
根据另一有利的扩展方案，电绝缘的材料例如是环氧树脂。将环氧树脂或绝缘材料引进自由区域中特别有利地借助注塑并且尤其是借助传递模工艺(Transfermoldprozess)来进行。以这种方式，基于所建立的具有功率电子装置的特别适宜性的各个过程，产生了成本低廉的封装。仅需要数个成本低廉的工艺步骤(例如卷对卷(Roll-to-Roll)工艺)。
根据另一有利的扩展方案，可以实施多级注塑，其中在第一部分浇注之后对引线框架例如自由地进行切割和/或钻孔。随后是用于填满(Auffuellen)所形成的分离部位和/或钻孔的注塑。以这种方式提供了高的绝缘强度，同样针对湿的或者腐蚀性的环境(例如在盐雾中)提供了高的绝缘强度。
附图说明
参照实施例结合附图更为详细地阐述了本发明。
图1示出了根据本发明的模块的第一实施例；
图2示出了根据本发明的模块的第二实施例；
图3示出了根据本发明的用于制造模块的方法的第一实施例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的模块1的第一实施例。三维成形的引线框架9在此例如用材料CuSn6来产生，其中该引线框架9通过冲压和成形来构造。在三维成形的引线框架9上曾装配和借助钎焊电接触和紧固或固定第一电子器件2a(更确切地说是I GBT(绝缘栅双极晶体管(Insolated Gate Bipolar Transistor)))和二极管。此外，第二平面的引线框架11对齐地被装配并且与IGBT和二极管的接触部通过相同的或者其它的钎焊工艺相连接。通过另一平面的引线框架11的被压印的接触舌簧29和事先在IGBT上产生的焊带27而使小的栅极垫25的接触变得容易。在三维成形的引线框架9的位置上借助激光分开桥路17。通过传递模曾将自由空间填充以作为电绝缘的和/或导热的材料19的环氧树脂，其中对于稍后的冷却曾保留冷却通道21。
也就是说，模块1具有两个电子器件2，更确切地说，具有第一器件2a和第二器件2b。两个器件2分别具有至少一个布置在上侧和/或下侧上的连接面3，用于进行电接触和用于进行紧固，其中这两个器件2(2a、2b)分别被定位在衬底5之间，使得连接面3分别与衬底5上的和连接面3对置的电导体7和紧固面电接触和紧固。图1尤其是示出了三个衬底5，更确切地说是具有在第一器件2a的上侧上的和在第二器件2b的下侧上的连接面3的三维成形的引线框架9。此外，在IGBT2a的下侧上和在二极管2b的上侧上分别产生两个平面的引线框架11。引线框架9、11用作电导体7。此外，图1还示出了用于电功能的和/或用于进行冷却的金属体13，其在三维成形的引线框架9上以导热的方式被紧固并且被电接触。这样的金属体13同样可以在器件2上以导热方式被紧固和/或被电接触。这样的金属体13例如可以被构造为铜块。此外，图1中的金属体13同样用作间隔支架15，该间隔支架15为了产生高的绝缘强度而使三维成形的引线框架9与器件2a的边缘间隔。此外，三维成形的引线框架9相对应地为了产生高的绝缘强度而被成形。为了避免短路，通过三维成形的引线框架9产生的桥路被中断。附图标记18标示散热器。三维成形的引线框架9通过其接触面与两侧的散热器18形状配合地相连。电绝缘的并且导热的材料19被填充在三维成形的引线框架9、平面的引线框架11和器件2之间的自由区域中，其中为冷却通道21提供了空间。附图标记23标示焊层，这些焊层产生电接触和紧固。为了进行电接触，器件2a(更确切地说为IGBT)的小的栅极连接面25借助在器件侧或者引线框架侧上产生的焊料块27来电接触。此外，平面的引线框架11具有接触舌簧29，用于简化电接触。
图2示出了根据本发明的模块1的第二实施例。在此，该结构与图1的结构相同，其中代替一个三维成形的引线框架9使用了两个三维成形的引线框架9。余下的引线框架是平面的引线框架11。使用了相同的根据图1的附图标记。根据图2使用了四个电子器件2。在图2的左侧同样示出了借助焊料块27和接触舌簧29来电接触小的连接面25。根据图2，与图1不同地电接触和紧固第二三维成形的引线框架9，使得四个器件2除了两侧之外在其上侧和下侧被三维成形的引线框架9包围。平面的引线框架11分别与器件2的没有三维成形的引线框架的连接面3电接触和紧固。第二三维成形的引线框架9与其它的电子器件2电接触和紧固。所有引线框架9、11用作衬底5并且提供电导体7。图2示出了用于电功能的金属体13，更确切地说用于使平面的引线框架11与其它的平面的引线框架11电接触来电接触在图2的右下方的IGBT的小的栅极连接面25的金属体13。此外，图2示出了其它的金属体13，更确切地说是铜块，用于增大上面的三维成形的引线框架9的厚度，使得可以产生在模块1的总厚度方面的电接触和紧固。电绝缘的材料19例如是以导热的无机颗粒填充的、能够注塑的或者有传递模能力的聚合物。附图标记21标示冷却通道的空间。在模块1的上侧和下侧上可以产生散热器18。
图3示出了用于制造根据本发明的模块1的方法的实施例。
主要的步骤S1是将器件2和/或金属体13和/或间隔支架15尤其是与至少一个三维成形的引线框架9或者与至少一个平面的引线框架11尤其是借助钎焊、至金属间相的反应钎焊、激光焊接、导电的和/或不导电的粘合来电接触和/或紧固。金属体13同样可以被紧固到电子器件2上。金属体13针对电功能和/或为了进行冷却和/或为了增大三维成形的引线框架9的厚度而导热地被紧固和/或被电接触在引线框架9上和/或在器件2上。电功能例如是电阻或者线圈的电功能。另一步骤S3是借助例如冲压、钻孔或者激光切割对三维成形的引线框架9的桥路17进行分开，这些桥路17在接触之前是为了在机械方面稳定三维成形的引线框架9所需要的。另一主要的步骤S3是：电绝缘的材料19例如是环氧树脂和/或借助注塑、尤其是借助传递模工艺被注射，更确切地说被注射到三维成形的引线框架9、平面的引线框架11和器件2之间的自由区域中。可以为冷却通道21提供空间。
也就是说，本发明的根据是使用三维成形的引线框架9。所述三维成形的引线框架9同样可以称为金属的冲压格栅或者冲压弯曲件。现在，器件2定位地被装配并且被固定到冲压格栅上。接触例如通过钎焊、同样通过至金属间相的反应钎焊、通过激光焊接和/或通过(更确切地说为导电地和不导电地)粘合来进行。铜块13也可以以相同的方式被接触，铜块13是对于电功能和/或为了进行冷却所需要的。冲压格栅的成形同样可以在装配器件2之后进行。现在定位地将尽可能相同装备的第二冲压格栅装配来使得电子器件或芯片通常在其前侧和背侧上被冲压格栅包围。第二冲压格栅可以在厚度和材料方面不同于第一冲压格栅。接触通过前面提及的方法来进行。为了接触比较小的连接垫25(例如栅极接触部和控制接触部部)需要在接触之前在芯片侧或者引线框架侧上产生块。这例如可以是焊料块27、柱形凸块或者导体粘合剂坑。在焊料块27的情况下，焊料块27可以或者通过钎焊过程本身来产生或者已经在此之前例如在所使用的功率半导体的晶片上被产生。这称作晶片级加工。在这种情况下，在实际的钎焊工艺之前将焊剂引到接触部位上是足够的。为了使接触这样的比较小的垫25容易，也可以将凸起部或者接触舌簧29冲压或者压印到引线框架9或者11中。通过所钎焊上的间隔支架15(其例如由铜构成)或者相对应地成形的引线框架9可以实现引线框架9和器件2的边缘彼此相距足够远，使得可以达到高的绝缘强度。为了避免短路和制造最终的布线，现在可需要将确定的引线框架桥路17分开，所述引线框架桥路17在接触之前是为了在机械方面稳定冲压格栅所需要的。这样的分开例如可以借助冲压、钻孔或者激光切割来进行。为了更好的散热和热扩展，冷却体可以被设置到引线框架9、11上或者被设置到器件2上并且以导热方式通过钎焊或者粘合来固定。引线框架9、11也可以被构造成冷却体并且通过接触面与至少一个散热器18形状配合地相连。最后，在两个引线框架9和器件2之间的自由区域通过注塑工艺由绝缘的材料19来填充。在此，通道21也可以被保留，冷却介质可以通过所述通道21来散热。模块1的向外的电端子通过引线框架9、11的未挤压包封的接触部来进行。注塑工艺优选是传递模工艺。绝缘物质19例如是高填充环氧树脂。电绝缘的物质19例如可以具有与引线框架材料匹配的膨胀系数。可替选地，浇注材料19的膨胀系数可以选择为使得构建过大张力，该过大张力以机械方式减轻了在电子器件2和引线框架9、11之间的连接层(尤其是焊层)的负荷，使得提供了高的循环稳定性。此外，同样可以使三个或者更多引线框架9与器件2彼此相叠地设置并且部分如上面所描述的那样接触。最后的注塑工艺在此除了可能的冷却通道21之外也封闭引线框架9、11和器件2之间的所有自由空间。注塑工艺也可以多级地进行，其中例如在第一部分浇注之后可以对引线框架9、11自由地进行切割或钻孔。随后的注塑工艺接着填满所形成的分离部位或钻孔。电绝缘的并且导热的材料19在潮湿的和/或腐蚀性的环境中(例如在盐雾中)同样确保了绝缘强度。

Claims (21)

1.一种模块(1)，其具有至少一个不带壳体的电子器件(2)，该模块(1)分别具有至少一个布置在上侧和/或下侧上的用于进行电接触的连接面(3)，其中所述至少一个器件(2)分别被定位在衬底(5)之间，使得连接面(3)分别与衬底(5)上的和连接面(3)对置的电导体(7)电接触，其特征在于，衬底(5)中的至少一个是从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)。
2.根据权利要求1所述的模块(1)，其特征在于，衬底(5)中的至少一个是在平面中延伸的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(11)。
3.根据权利要求1或2所述的模块(1)，其特征在于，所述模块(1)在两个器件(2)的情况下将从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)与在第一器件(2a)的上侧上的和在第二器件(2b)的下侧上的连接面(3)电接触。
4.根据权利要求3所述的模块(1)，其特征在于，在平面中延伸的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(11)分别与相应的器件(2a，2b)的另外的侧上的连接面(3)电接触。
5.根据权利要求1或2之一所述的模块(1)，其特征在于，至少一个其它的从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)与其它的电接触的器件(2)电接触，使得定位在从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)之间的器件(2)在上侧和下侧被从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)包围。
6.根据权利要求5所述的模块(1)，其特征在于，在平面中延伸的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(11)分别与器件(2)的没有从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)的连接面(3)电接触。
7.根据权利要求1至6之一所述的模块(1)，其特征在于，金属体(13)针对电功能和/或为了进行冷却和/或为了增大从平面中弯曲出的金属冲压格栅或冲压弯曲件(9)的厚度而在所述从平面中弯曲出的金属冲压格栅或冲压弯曲件(9)上和/或在器件(2)上导热地被紧固和/或被电接触。
8.根据权利要求5至7之一所述的模块(1)，其特征在于，从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)具有不同的厚度和/或材料。
9.根据权利要求1至8之一所述的模块(1)，其特征在于，在从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)上被紧固的间隔支架(15)为了产生高的绝缘强度而使从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)与器件(2)的边缘间隔。
10.根据权利要求7所述的模块(1)，其特征在于，至少一个从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)被构造为用于进行冷却和/或用于增大厚度的金属体(13)。
11.根据权利要求1至10之一所述的模块(1)，其特征在于，在从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)、在平面中延伸的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(11)和器件(2)之间的自由区域以电绝缘的并且导热的材料(19)来填充，其中在所述材料(19)中产生尤其是冷却通道(21)和/或热管。
12.根据权利要求1至11之一所述的模块(1)，其特征在于，模块(1)的向外的电端子通过没有绝缘材料(19)的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9，11)来提供。
13.根据权利要求1至12之一所述的模块(1)，其特征在于，电绝缘的材料(19)的膨胀系数与金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9，11)的材料匹配。
14.根据权利要求1至12之一所述的模块(1)，其特征在于，为了产生高的循环稳定性，电绝缘的材料(19)的膨胀系数被选择为使得构建过大张力，所述过大张力以机械方式减轻了在器件(2)与金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9，11)之间的连接层、尤其是焊层(23)的负荷。
15.一种用于产生根据上述权利要求1至14之一所述的模块(1)的方法，其特征在于将器件(2)、金属体(13)和间隔支架(15)与至少一个从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)或者与至少一个在平面中延伸的金属冲压格栅或冲压弯曲件(11)借助钎焊、至金属间相的反应钎焊、焊接、激光焊接、导电的或者不导电的粘合来电接触和/或紧固。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于在电接触小的连接面(25)之前在器件(2)的侧上或者在金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9，11)的侧上产生块，例如产生焊料块(27)、柱形凸块或者导体粘合剂坑。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于在电接触小的连接面(25)之前在金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9，11)中借助冲压或者压印来产生导体突出部。
18.根据权利要求15至17之一所述的方法，其特征在于在接触器件(2)、金属体(13)或者间隔支架(15)之后使从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)成形。
19.根据权利要求15至18之一所述的方法，其特征在于将从平面中弯曲出的金属冲压格栅或冲压弯曲件(9)的桥路(17)分开，所述桥路(17)在接触之前是为了在机械方面稳定从平面中弯曲出的金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9)所需要的。
20.根据权利要求15至19之一所述的方法，其特征在于，电绝缘的材料(19)是以导热的无机颗粒填充的环氧树脂或者借助注塑来注射。
21.根据权利要求15至20之一所述的方法，其特征在于：多级注塑，其中在第一部分浇注之后对金属冲压格栅或者冲压弯曲件(9，11)例如自由地进行切割或者钻孔；随后的用于填满所形成的分离部位或者钻孔的注塑。
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