CN102903681A - 在功率半导体模块中的衬底的柔性连接 - Google Patents

在功率半导体模块中的衬底的柔性连接 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种具有至少两个衬底（1）的功率半导体模块，所述衬底相互隔有距离地被布置，分别具有至少一个器件（21，22，23，24）或分别具有至少一个接触面（20），并且借助至少一个层（32）相互电和机械连接。所述至少一个层（32）在此这样被施加在待连接的衬底(1)上，使得所述至少一个层至少部分地覆盖所述衬底，所述至少一个器件（21，22，23，24）和/或至少一个接触面（20）仅仅分别与衬底（1）之一具有直接连接，并且所述至少一个器件（21，22，23，24）和/或至少一个接触面（20）布置在相应的衬底（1）和所述至少一个层（32）之间。

Description

在功率半导体模块中的衬底的柔性连接
技术领域
本发明涉及具有至少两个衬底以及用于电和机械连接所述衬底的多层系统的功率半导体模块。
背景技术
在常用的功率半导体模块中，大多在平坦的冷却体或底板上的层面中布置多个载体衬底。这些冷却体或底板理想地是完全平的，或者最大具有带有几米半径的极小的弯曲。这些衬底大多数借助金属连接被安置在冷却体或底板上并且借助键合线或焊接的铜（Cu）夹片（Clip）相互连接。处于衬底上的功率半导体例如IGBT、二极管、FET、晶闸管……例如借助由铝制成的键合线、所谓的铝（Al）粗线键合或Cu夹片被接触。
这些衬底不仅能相互电连接，而且能视应用而定地也被连接到其它组件例如驱动器上。为此，可能需要大量的单连接。这例如是焊接连接或利用短键合线的连接，它们相对于机械负荷和接触是非常敏感的。
将不同的衬底相互连接的另外的可能性是使用柔性电路板。但是在此情况下需要或者焊接过程或者夹持技术，在所述焊接过程中必要时可以将衬底和PCB上的已经制造的连接再次熔化。这种夹持技术不仅需要很多位置，而且在使用陶瓷衬底的情况下还带来断裂危险的缺点。
在US 2009/0231822A1中记载了借助多层布置、所谓的多层层连接衬底上的功率半导体和驱动电路。这种多层层的应用使得上面描述的焊接和夹持技术成为多余的。类似的行动被记载在US 5 637 922和WO03/030247中。在已知的方法中，不同的层仅仅被用于接触在唯一衬底上的功率构件和控制电路。DE 196 17 055 C1公开了一种特定的实施方式，其中传导覆层（Lage）由绝缘的预制体（Preform）组成。
在DE 10 2004 019 431 A1中记载了一种装置，其由电路板和电路载体板组成，其中电路载体板被布置在电路板的内覆层的凹槽中，并且由电路板的外覆层牢固地固定并保持在凹槽中。借助多层层在功率半导体之间以及在电路载体板和电路板之间建立接触。
在所有这些情况下，仅衬底和电路板的平坦的布置是可能的。然而在许多应用中，仅仅小的和/或不平坦的安装空间可用。平坦布置仅仅在很少情况下可以面积优化地利用这样的安装空间。
DE 100 26 743 C1记载了用于容纳电路装置的衬底的装置，其能够在空间中实现三维布置，以便提供用于导热的附加接触面。在载体衬底上施加接触衬底层。在该载体衬底中然后可以引入空隙、折断或中断，以便将载体衬底的由此形成的此外通过接触衬底连接的部分段能够相对弯曲。然后，器件被如此施加在接触衬底上，使得它们能够在两侧上分别由载体衬底接触，以便保证最佳的散热。为此目的，仅仅特定的角度、尤其是90°是有利的。
目前，用于容纳电子器件的电路装置的衬底主要由陶瓷的载体衬底构成。但是陶瓷具有低的断裂韧性。在为了制造空隙、折断或中断而加工该衬底时以及在接着弯曲时，该衬底由此可能容易地被无意地损坏。
发明内容
本发明的任务是，提供具有至少两个衬底的功率半导体模块，其中能够在空间中实现衬底以任意角度的灵活的三维布置。
该任务通过按照权利要求1的功率半导体模块解决。本发明的示例性的实施方式和改进方案是从属权利要求的主题。
本发明的实施例涉及具有至少两个衬底的功率半导体模块，所述衬底相互隔有距离地被布置，分别具有至少一个器件或分别具有至少一个接触面，并且借助至少一个层相互电和机械地连接，其中所述至少一个层这样被施加在待连接的衬底上，使得其至少部分地覆盖所述衬底，其中所述至少一个器件和/或至少一个接触面仅仅分别与衬底之一具有直接连接，并且其中所述至少一个器件和/或至少一个接触面布置在相应的衬底和所述至少一个层之间。
附图说明
本发明下面借助图被进一步阐述，在图中示出实施例。这些图用于阐述基本原理，从而仅仅为理解基本原理所需要的特征被示出。
图1示出了两个衬底以及用于连接衬底的层的三维视图。
图2示出了具有两个衬底的装置的截面图，所述衬底基本被布置在一个层面中，并且通过层相互连接。
图3示出了具有两个平行地相叠布置的衬底的装置的截面图，所述衬底通过层相互连接。
图4示出了具有三个衬底的装置的截面图，所述衬底并排地布置在一个层面中并且借助多层层相互连接。
图5示出了具有三个衬底的装置的截面图，所述衬底借助多层层相互连接并且不布置在一个层面中。
具体实施方式
在图中，只要没有另外说明，相同的附图标记以相同或类似的含义表示相同或相应的特征。
图1以透视图示出了两个相互隔有距离地布置的衬底11，12。衬底1可以是在有机或无机基底上的任意的电路载体。这样的衬底例如是PCB（印刷电路板（Printed Circuit Board））衬底、DCB（直接铜键合（Direct Copper Bonding））衬底、IM（绝缘金属（Insulated Metal））衬底、HTCC（高温共烧陶瓷（High Temperature Cofired Ceramics））衬底、LTCC（低温共烧陶瓷（Low Temperature Cofired Ceramics））衬底和AMB（活性金属钎焊（Active Metal Brazing））衬底。在陶瓷衬底的情况下，例如在其正面和背面施加金属层。在图1中所示的衬底11是这样的陶瓷衬底并且在两个相对的侧上分别具有金属层11，12，它们后面被称为第一和第二金属层。在第二金属层12上在所示的例子中施加半导体器件21。该半导体器件21例如是功率半导体器件，例如IGBT、二极管、FET或晶闸管。尽管在图1中仅仅示出了一个半导体器件21，然而应指出，在金属层12上也可以布置多个器件。半导体器件可以或者直接被接触或者通过印制导线与接触面连接。
在图1中所示的例子中，第二衬底12具有接触面20。但是该衬底12可以代替地或附加地也具有至少一个器件（未示出）。为了接触或者相互连接部件（例如按照图1的部件21）和/或接触面（例如按照图1的接触面20），存在具有传导和非传导层的层装置，其被施加到衬底上。这些层例如可以分别由聚酰亚胺基或环氧化物基的膜（非传导层）组成或由金属、例如铜、碳（Karbon）、钯、铝或银（传导层），其例如在真空下被层压到表面上。这样的膜是足够稳定的，以便分别被层压到两个相互隔有距离地布置的衬底上并且将所述衬底越过在衬底之间的间隙连接。
在图1中与衬底11，12隔有距离地示出了单个这样的膜32，以便使得在衬底上的处于其下的组件可见。在层压状态中，该膜32将在一个衬底1上的功率器件21与在另一衬底1上的接触面20电连接。同时，膜将两个衬底11，12彼此机械连接。通过这种方式和方法也能够将多于两个的衬底11，12相互连接。
具有多个器件的电路可以是如此复杂的，使得单个传导层是不够的，而必须相叠地施加多个层。在此情况下，不仅使用绝缘的而且使用传导的层，以便相互连接所希望的组件。首先，例如施加绝缘层。在施加绝缘层之后，可以通过打开在膜中的相应的窗口来使得在表面上的每个待接触的接触面露出。这样被露出的接触面可以接着例如与由金属制成的层平面地接触。通过这种方式和方法，可以相继地施加多个传导的和非传导的层，并且可以实现复杂的连接结构。
图2示出了具有两个衬底11，12的装置的截面图。衬底之一11在相互相对的侧上用第一和第二金属层11、12涂层。在该例子中，两个半导体器件211、212处于第二金属层12上。在该例子中，功率半导体器件22、驱动器23和衬底1的一侧上的信号分析电路24以及衬底1的另一侧上的控制端子42处于另一衬底12上。控制端子42能够使得功率半导体模块从外部被电接触。利用控制端子42可以注入电流，借助其可接通半导体器件211、212。以相同的方式，也可以产生负载端子，通过其引导原本要接通的电流。
在该例子中，两个衬底11，12通过多层装置相互连接，其在该例子中具有两个层：导电层32（例如金属化层32）以及绝缘层33。金属化层32和绝缘层33覆盖一个衬底11的大部分，并且从而也将两个部件21相互连接。部件21可以直接、例如通过焊接连接和/或通过金属化层32与第二金属层连接。在该例子中附加地将高电流接触41引入层33中，所述高电流接触此外接触功率半导体21和金属层12。通过该高电流接触41，例如能够从外部电接触功率半导体模块。高电流接触41因此可以承担负载端子的功能。为了金属化层32不具有至第二金属层12的无意的接触，局部地引入附加的绝缘层31。
按照上述原理形成的、由多个层组成的在衬底1之间的连接是如此柔性的，使得衬底能够彼此相对地弯曲或弯折。在衬底之间的连接甚至是这样柔性的，使得该装置在空间中的多次弯曲或弯折也是可能的。由此例如能够将驱动器电路板无附加接触地置于功率半导体衬底的上侧并且例如通过硅酮粘合与其固定。
图3示出了这样的装置的截面图。这两个衬底1这里没有布置在一个层面中，相反，它们相互平行地位于两个不同的层面中并且相叠地布置。在此，衬底1被定向为使得装备有部件（21、22、23、24）的侧分别指向彼此。此外，通过层32、33的连接保持不变。一个衬底1的高电流接触41现在也具有与第二衬底1的连接。但是此外，从外部接触高电流接触41也是可能的。在所示的装置中，两个衬底1具有可以用浇注材料5填充的间隙。例如可以使用硅酮作为浇注材料5。由此得到功率半导体模块的明显更紧凑的结构形式。
在该构造中此外还适合的是：给作为驱动器电路板起作用的衬底12在当折叠之后背离第二衬底11的侧处在与衬底11连接之前配备电接触42。于是所述电接触形成模块的向外的信号接触部。通过相同的方式也可以制造功率端子。
在图4中示出了具有三个衬底1的装置的截面图。所有三个衬底1在一侧上用第一金属层11涂层并且在另一侧上用第二金属层12涂层。衬底1处于一个层面中。在所有衬底1中，在金属层12上分别施加器件21。此外，将金属化层32施加到衬底1和器件21上。在不希望金属化层32至金属层12和器件21的接触的位置处，将空隙引入金属化层32中。金属化层32无中断地在衬底1之间继续引导，以便这样在衬底1和器件21之间建立机械和电的连接。通过这种方式，可以将在两个或更多不同衬底1上的器件21相互电连接。在衬底1上的器件21同样可以通过金属化层32、但是也可以通过印制导线和其它电连接相互连接。但是在衬底1上的部件21的电连接视功率半导体模块的功能而定地也可能是根本不希望的，并且因此不是强制地需要的。绝缘层33作为最上层被施加到衬底1、器件21和金属化层32上。该层也无中断地在衬底之间继续引导，以便在衬底1之间建立另外的机械连接。此外，该层对于可能需要的与部件21和/或层32的绝缘来说是必要的。
在该例子中，所有衬底1又具有高电流接触41，其接触金属化层12、器件21或金属化层32并且用于从外部电连接。在不希望金属化层32和金属层12之间的接触的位置处，又引入绝缘31的另外的层。
图5示出了图4的同一装置的截面图。但是，这里衬底1不再布置在一个层面中，而是彼此相对弯折大于0°的角度。通过衬底1从该层面弯折出来，功率半导体模块可以被匹配于不同结构空间的情况。例如，这种装置可以被安装在发动机的外壁处，该外壁通常具有圆化的形状。
通过借助柔性的所谓的多层层或PLIT层连接衬底，功率半导体模块可以明显更好地匹配于给定的结构空间。此外，可以通过平面地连接控制端子和负载端子来实现功率半导体的极低电感性布线。通过应用半导体器件、例如IGBT或二极管以及借助多层层或PLIT层向外接触，同样节省了在衬底本身上的结构空间，该结构空间在传统的制造过程中必须为接触技术、例如引线键合（Wire Bonden）而被保留。由此，作为另外的优点还得到在衬底布局时尤其是在导热和换向路径方面的更灵活的构造自由度。

Claims (9)

1.功率半导体模块，具有至少两个衬底（1），所述衬底
－相互隔有距离地被布置，
－分别具有至少一个器件（21，22，23，24）或分别具有至少一个接触面（20），并且
－借助至少一个层（32）相互电和机械连接，
其中
－所述至少一个层（32）这样被施加在待连接的衬底(1)上，使得所述至少一个层至少部分地覆盖所述衬底，
-所述至少一个器件（21，22，23，24）和/或至少一个接触面（20）仅仅分别与衬底（1）之一具有直接连接，并且
-所述至少一个器件（21，22，23，24）和/或至少一个接触面（20）布置在相应的衬底（1）和所述至少一个层（32）之间。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中所述至少一个器件（21，22，23，24）借助金属层（12）被固定在衬底（1）上。
3.根据权利要求1或2之一所述的功率半导体模块，其中所述至少一个层（32）是PLIT金属化。
4.根据权利要求1－3之一所述的功率半导体模块，其中衬底（1）被布置在一个中央布置的衬底（1）的多个或所有侧。
5.根据权利要求1－4之一所述的功率半导体模块，其中所述至少一个层（32）在所述至少两个衬底（1）中的分别两个之间从基本平坦的横向层面被弯曲出或弯折大于0°至90°的角度。
6.根据权利要求1－4之一的功率半导体模块，其中所述至少一个层（32）在所述至少两个衬底（1）中的分别两个之间在纵向上被弯曲或弯折大于90°至180°的角度。
7.根据权利要求6所述的功率半导体模块，其中通过弯曲或弯折在至少两个衬底（1）之间形成的间隙用浇注材料（5）充填。
8.根据上述权利要求之一所述的功率半导体模块，其中所述至少两个衬底（1）中的至少一个由陶瓷材料组成。
9.根据权利要求1－7之一所述的功率半导体模块，其中所述至少两个衬底（2）中的至少一个是由纤维增强的塑料制成的电路板。
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