CN103545298A - 具有至少一个减小应力的适配元件的功率半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有至少一个减小应力的适配元件的功率半导体模块，具有用于布置在冷却装置或基板上的基底的功率半导体模块。其中，基底具有绝缘材料体和布置在该绝缘材料体第一主面上的本身结构化且进而构造出导体轨迹的第一金属层。该绝缘材料体在第二主面上具有第二金属层。功率半导体构件布置在导体轨迹上且与之导电连接。在这个导体轨迹或另一导体轨迹上布置有第一适配元件并且在该第一适配元件上布置有联接元件，其中，适配元件面对第一联接元件的第一主面与该第一联接元件材料锁合且导电地连接，而第一适配元件面对所配属的导体轨迹的第二主面与该导体轨迹借助连接介质导电且材料锁合地连接。

Description

具有至少一个减小应力的适配元件的功率半导体模块
技术领域
本发明描述一种功率半导体模块，其具有绝缘的基底、布置在该基底上的导体轨迹、布置在该导体轨迹上的功率半导体构件和用于外部电路连接的联接元件。
背景技术
根据通用公知的现有技术，这种功率半导体模块的联接元件由良好地导电的金属，例如铜或含铜量高的合金构成。公知的基底具有由陶瓷材料，如氧化铝、氮化铝或碳化硅构成的绝缘材料体。本领域中通常在该绝缘材料体上布置有大多由铜构成的导体轨迹。基底，也就是说由绝缘材料体和导体轨迹构成的复合体由此具有典型地在2·10-6K-1范围内的膨胀系数，而联接元件具有典型为16·10-6K-1的膨胀系数。这类功率半导体模块示例性地由DE102009037257A1公知。
联接元件与导体轨迹的导电连接在本领域中通常是经常构造为材料锁合（stoffschlüssig）的连接。在功率半导体模块的连续运行中，由参与部件的不同的膨胀系数确定的力作用到该连接上。这表明，联接元件与电路板的材料锁合的连接经常是非常稳定的。与此相对地，基底部件，也就是说导体轨迹和绝缘材料体的连接经常是负载性较差的，这导致导体轨迹连同附着在其上的联接元件从绝缘材料体大多局部限定地脱开。
可比较的效应可能在制造联接元件与电路板之间材料锁合的连接时就已经出现了，例如在焊接过程中，该焊接过程局部破坏在所配属的导体轨迹部段与绝缘材料体之间的连接。
发明内容
根据对这一事实的认识，本发明所要解决的任务是，改进上面提到类型的功率半导体模块，以避免导体轨迹从绝缘材料体在连续负载的情况下脱开。
该任务根据本发明通过具有权利要求1的特征的功率半导体模块来解决。优选实施方式在各从属权利要求中进行描述。
本发明从具有用于布置在冷却装置或基板上的基底的功率半导体模块出发。因此，两种原则上公知的功率半导体模块类型包括在其中。一方面，本领域常用的设计方案具有本身作为功率半导体模块的一部分的热分配的基板，其中，该基板用于将功率半导体模块固定在不属于该功率半导体模块的冷却装置上。而另一方面，功率半导体模块的现代的变型方案没有这种基板。在这种设计方案中，功率半导体模块直接用其基底固定在不属于该功率半导体模块的冷却装置上。
根据本发明的功率半导体模块的基底具有带第一金属层和第二金属层的绝缘材料体，其中，该第一金属层布置在绝缘材料体面对功率半导体模块内部的第一主面上，而该第二金属层布置在背对功率半导体模块内部的第二主面上。
第一金属层本身是结构化的并且进而构成基底的第一导体轨迹。功率半导体构件布置在第一导体轨迹上并且与该第一导体轨迹导电连接。此外，基底的该第一导体轨迹或另一第一导体轨迹上布置有第一适配元件，并且在该适配元件上布置有联接元件。在这种情况下，第一适配元件面对联接元件的第一主面与该联接元件材料锁合且导电地连接。
该材料锁合的连接构成第一连接方式，其原则上视专业技术而定地（fachspezifisch）构造。
在这种情况下，第一适配元件面对导体轨迹的第二主面借助连接介质与该导体轨迹导电且材料锁合地连接，由此构成第二连接方式，这种连接方式明确地以为此必需的连接介质为前提。因此，该第二连接方式是第一连接方式的子集。
具有第一适配元件的功率半导体模块的优点尤其在于，在连续运行中变化的热负载不仅具有联接元件与导体轨迹之间的唯一的连接并且进而该连接不必承担所有的负载。具体而言，负载被分配在两个连接上。
如下显然不能排除在外的任选的特征可以单独地或以任意组合的方式在根据本发明的功率半导体模块中实现。
在特别优选的设计方案中，功率半导体模块具有第二适配元件，其布置用于冷却装置或基板。在这种情况下，第二适配元件面对第二金属层的第一主面借助连接介质材料锁合地连接，其中，该连接也与第二连接方式相应。适配元件面对冷却装置或基板的第二主面与该冷却装置或基板材料锁合地连接，其中，该连接与不必以连接介质为前提的第一连接方式相应。
第一连接方式的连接尤其是需要明确的连接介质的连接，也就是说钎焊连接和压力烧结连接，并且还可以是不需要这种连接介质的连接，也就是说熔焊连接（尤其是摩擦熔焊连接）或镀层连接（Plattierverbindung）（尤其是滚压镀层连接）。第二连接方式的特征总是在于，需要明确的连接介质，也就是说第二连接方式尤其构造为钎焊连接和压力烧结连接。
特别优选的是，第一联接元件具有如下热膨胀系数，其以加/减基底与联接元件的热膨胀系数之差的最多30%来偏离基底与联接元件的热膨胀系数的平均值。在上面提到的针对联接角形件（αA）的热膨胀系数和基底（αS）的热膨胀系数的值的情况下，适配元件（αX）根据以下公式：
αX=1/2·(αA+αS)±0.3·|αA-αS|
优选具有9±4·10-6K-1的热膨胀系数。例如在上面提到的值的情况下，钼特别适合。同样有利地，由两个或三个层构成的复合材料可能是有利的。
在存在第二适配元件的情况下，类似的形成是有利的。在这种情况下，第二适配元件具有如下热膨胀系数，其以加/减基底与冷却装置或基板的热膨胀系数之差的最多30%来偏离基底与冷却装置或基板的热膨胀系数的平均值。在基底的热膨胀系数的上面提到的值和例如由铝构成的冷却装置的热膨胀系数为23·10-6K-1的情况下，适配元件优选具有13.5±10·10-6K-1的热膨胀系数。对此，例如铜特别适合（在其余的特性如导热能力方面也特别合适）。
在针对各自的适配元件根据上面提到的两个值域来选择材料时，适配元件的厚度相对较小地确定。例如在导体轨迹为300μm的情况下，第一适配元件可以在该厚度范围内来选择，并且特别是也可以更薄地，尤其是最厚为导体轨迹厚度的一半地来选择。
在该设计方案的框架内，通过间接且非直接地构造的连接特别有效地防止了导体轨迹从绝缘材料体由于尤其是在制造期间的负载或由于运行中的连续热负载所引起的脱开。
如果各自的适配元件的材料不满足上面提到的条件，那么当各自的适配元件具有至少与基底所配属的金属层厚度的三倍相应的厚度时，可以实现可比较的作用。这意味着例如在导体轨迹厚度为300μm的情况下，第一适配元件的最小厚度为900μm。在该设计方案中，同样可以有效地防止由于热膨胀所导致的导体轨迹从绝缘材料体的脱开。
优选地，每个联接元件具有各自所配属的第一适配元件。在这种情况下，这个第一适配元件各自的侧向延伸尺寸（Ausdehnung）应该最大是关于联接元件的接触面的侧向延伸尺寸的一倍半。当第一适配元件紧邻着配属的导体轨迹的边缘区域或角区域布置时，这尤其是有利的。
备选的但同样优选的是，第一适配元件本身被改进为在联接元件与功率半导体构件背对基底的第一接触面之间的内部连接装置。
对于第二适配元件来说特别有利的是，其具有比基底所配属的第二金属层的延伸尺寸更大的侧向延伸尺寸。这在第二适配元件是冷却装置集成的组成部分的情况下特别适用。
附图说明
对本发明有利的细节和特征的进一步阐释由接下来对图1至图4所示的根据本发明的布置方式的实施例或对其中部分的实施例的描述得出。其中：
图1示出根据本发明的功率半导体模块的第一实施方式的侧视截面图；
图2示出根据本发明的功率半导体模块的第二实施方式的侧视截面图；
图3示出根据本发明的功率半导体模块的第三实施方式的侧视截面图；
图4示出根据本发明的功率半导体模块的第四实施方式的俯视截面图；
图5示出根据本发明的功率半导体模块的三维分解图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的功率半导体模块的第一实施方式的侧视截面图。此外还示出了其中一部分的截面放大图以说明结构上的设计方案。
功率半导体模块的主要组成部分是基底2，该基底在这里由构造为具有厚度在100μm至700μm之间的工业陶瓷、氧化铝陶瓷的绝缘材料体20和在绝缘材料体20的各主面200、202上的两个金属层22、24构成。在绝缘材料体20面对功率半导体模块内部的第一主面200上布置有第一金属层22，其自己本身是结构化的并且进而构造出彼此电绝缘的导体轨迹220、222，其中仅示出了一个。
在绝缘材料体20的第二主面202上平面地布置有第二金属层24。原则上也可以有利的是，第二金属层24与第一金属层22镜像对称地构造，也就是说，导体轨迹220、222在映射叠合的区域中对置。这两个金属层22、24优选由具有厚度在100μm至500μm之间的铜构成并且在其各自空置的侧上具有优选的但并不是对于所有连接方式都必需的贵金属层26、28，这些贵金属层只有最多5μm的几个原子层那么厚并且还被视为各金属层22、24的组成部分。由于陶瓷绝缘材料体20与金属层22、24的材料混合，这种基底2具有大约2·10-6K-1的热膨胀系数。
第一适配元件50以其第二主面502借助第二连接方式布置在基底2的面对功率半导体模块内部的第一主面210上并且与导体轨迹220导电连接。根据本发明，这个连接必须借助连接介质70来构造，也就是说构造为第二连接方式，这是因为借助这种第二连接方式构成的连接，金属层22、24在绝缘材料体20上的附着比没有连接介质的材料锁合连接方法，尤其是熔焊连接方法负载要小。尤其地，这对于借助DCB方法制成的基底2来说是有利的。
此外，在导体轨迹22与第一适配元件50烧结连接的情况下，有利的是设置有两个对应的具有贵金属层的接触面。贵金属层在这里仅针对导体轨迹22示出，但是以类似的方式也设置在第一适配元件50上。
因为铜具有非常良好的导热能力，所以第一适配元件50优选由铜构成。因为联接元件60同样由铜构成，所以有利的是第一适配元件60的厚度至少根据所配属的导体轨迹220厚度的三倍来选择。
联接元件60以其对应的接触面布置在第一适配元件50的第一主面500上并且材料锁合地导电连接。这个材料锁合的连接可以任意地构造为第一连接方式，尤其是也可以构造为熔焊连接。熔焊连接的特征在于，在连接配套件之间没有布置连接介质。联接元件60在不损害上面提到的功能的情况下可以具有例如由镍构成的表面电镀。如果联接元件60与第一适配元件50之间材料锁合的连接是烧结连接，那么同样有利的是至少构造出对应的具有未示出的贵金属表面的接触面。
在根据图1的设计方案中，第一联接元件60布置在基底2的导体轨迹220的边缘区域中（也可以比照图4）。此外，在这种设计方案中（同样可以比照图4），第一适配元件50的侧向延伸尺寸仅稍微比联接元件60的接触区域的延伸尺寸大。
有利地，第二金属层24具有与其齐平地布置的第二适配元件52。该第二适配元件52借助第二连接方式与基底2的第二金属层24连接。
功率半导体模块的基板40与第二适配元件52之间的连接借助第一连接方式进行。在这里所示的情况下，第一连接方式还是烧结连接，关于它们的表面上面所说的同样适用于该烧结连接。
图2示出根据本发明的功率半导体模块的第二实施方式的侧视截面图。除了全部根据图1构造的基底2、第一适配元件50和联接元件60以外还示出了在其上布置有功率半导体构件30的另一导体轨迹222。该功率半导体构件30同样借助第二连接方式，在这里是烧结连接，与所配属的导体轨迹222导电连接。第一适配元件50的两个连接在本实施方式中同样构造为烧结连接。但是，这并不意味着局限于上面提到的通用性，这尤其允许联接元件60与第一适配元件50之间的熔焊连接。
此外还示出了冷却装置42，其具有由铜构成的集成的第二适配元件52。该集成的冷却装置42具有构造用于空气冷却和液体冷却的铝体，其中，第二适配元件52布置在铝体的凹部420中并且与该铝体借助滚压镀层方法材料锁合地连接。
第二适配元件52与第二金属层24之间的连接借助第二连接方式，在这里还是烧结方法构成。
在这种情况下，特别有利的是，第二适配元件52就其侧向延伸尺寸，也就是说平行于其主面520、522，比第二金属层24更大地构造。这一方面使装配变得容易，而另一方面改善了通过第二适配元件52的散热。
图3示出根据本发明的功率半导体模块的第三实施方式的侧视截面图。该图示在无通用性限制的情况下没有示出基板和冷却装置。
与上面示出的实施方式相比，第一适配元件50在这里具有不同的材料、更小的厚度和明显更大的侧向延伸尺寸。第一适配元件50在这里由钼构成，而基底2和联接元件60的材料与上面提到的一致。通过这种由钼构成的构造方式，可以特别简单地将厚度减小到如下值，该值在这里略微小于导体轨迹220、222的厚度。
因此，第一适配元件50同时也可以充当联接元件60与功率半导体构件30背对基底2的接触面300之间的内部连接装置。为此，第一适配元件50具有两个不与第一导体轨迹220连接的部段54、56。第一部段54优选呈拱曲状地构造并且逐渐过渡成第二部段56，其与功率半导体构件30的接触面300导电连接。在这里为了电绝缘，在呈拱曲状的第一部段下面布置有尤其是明胶状的、柔韧的绝缘材料80。
该设计方案的每一个材料锁合的连接70、72、74在无上面提到的通用性限制的情况下在这里构造为烧结连接，其中，所有对应的接触面优选具有贵金属表面。
图4示出根据本发明的功率半导体模块的第四实施方式的俯视截面图。在这里示出了具有两个导体轨迹220、222的绝缘材料体20。在导体轨迹220上不仅示出了两个第一适配元件50而且还示出了功率半导体构件30。一个第一适配元件50紧邻着导体轨迹220的角区域232布置，而另一个第一适配元件50紧邻着导体轨迹220的边缘区域230布置。这经常是必需的，这是因为在导体轨迹其余的区域上布置有功率半导体构件和内部连接装置，例如引线键合连接件。恰恰在这些边缘区域230或甚至角区域232用于外部联接的情况下，必须在那里防止导体轨迹220从绝缘材料体20脱开。
第一适配元件50在这里具有各自的如下侧向延伸尺寸50a、50b，其比对应的与之连接的联接元件60的侧向延伸尺寸60a、60b的一倍半要小。
图5示出根据本发明的功率半导体模块的三维分解图。除了由之前的图已知的部件之外，在这里还示出了两件式的壳体90、92。联接元件60在这里构造为负载联接元件和辅助联接元件。在这里可以特别清楚地识别的是联接元件60置于第一适配元件50上且与该第一适配元件50借助熔焊方法连接的部分。

Claims (10)

1.一种功率半导体模块，其具有用于布置在冷却装置（42）或基板（40）上的基底（2），其中，所述基底（2）具有绝缘材料体（20）、第一金属层（22）和第二金属层（24），其中，所述第一金属层（22）布置在所述绝缘材料体面对所述功率半导体模块的内部的第一主面上，并且所述第一金属层（22）是本身结构化的并进而构造出第一导体轨迹（220、222），所述第二金属层（24）布置在所述绝缘材料体背对所述功率半导体模块的内部的第二主面上，其中，功率半导体构件布置在导体轨迹（220、222）上且与之导电连接，并且其中，在此导体轨迹（220、222）或另一导体轨迹（220、222）上布置有第一适配元件（50），并且在所述适配元件（50）上布置有联接元件（60），其中，所述适配元件（50）面对所述第一联接元件（60）的第一主面（500）与所述第一联接元件（60）材料锁合且导电地连接，由此构造成第一连接方式，而所述第一适配元件（50）面对配属的导体轨迹（220、222）的第二主面（502）与所述配属的导体轨迹（220、222）借助连接介质（70）导电且材料锁合地连接，由此构造成第二连接方式。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，布置有用于冷却装置（42）或基板（40）的第二适配元件（52），其中，所述第二适配元件（52）面对所述第二金属层（24）的第一主面（520）与所述第二金属层（24）借助连接介质（72）通过第一连接方法材料锁合地连接，而所述适配元件（52）面对所述冷却装置（42）或所述基板（40）的第二主面（522）与所述冷却装置（42）或所述基板（40）通过第二连接方法材料锁合地连接。
3.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，所述第一连接方式构造为钎焊连接、压力烧结连接或熔焊连接、尤其是摩擦熔焊连接，或镀层连接、尤其是滚压镀层连接，而所述第二连接方式构造成利用连接介质的连接，尤其是钎焊连接或压力烧结连接。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述第一适配元件（50）具有如下热膨胀系数，其以加/减所述基底（2）与所述联接元件（60）的热膨胀系数之差的最多30%来偏离所述基底（2）与所述联接元件（60）的热膨胀系数的平均值。
5.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其中，所述第二适配元件（52）具有如下热膨胀系数，其以加/减所述基底（2）与所述冷却装置（42）或所述基板（40）的热膨胀系数之差的最多30%来偏离所述基底（2）与所述冷却装置（42）或所述基板（40）的热膨胀系数的平均值。
6.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其中，各自的适配元件（50、52）至少具有所述基底（2）的配属的金属层（22、24）厚度的三倍的厚度。
7.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述第一适配元件（50）各自的侧向延伸尺寸（50a、50b）最大是所述联接元件（60）的配属的接触面的侧向延伸尺寸（60a、60b）的一倍半。
8.根据权利要求7所述的功率半导体模块，其中，所述第一适配元件紧邻着配属的导体轨迹的边缘区域或角区域布置。
9.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其中，所述第一适配元件（50）本身构造为所述联接元件（60）与功率半导体构件（30）背对所述基底（2）的第一接触面（300）之间的内部连接装置。
10.根据权利要求2所述的功率半导体模块，其中，所述第二适配元件（52）具有比所述基底（2）的配属的第二金属层（24）的延伸尺寸更大的侧向延伸尺寸。
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