CN103974585A - 半导体模块装置和用于制造半导体模块装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体模块装置和用于制造半导体模块装置的方法。公开了一种半导体模块装置，其具有第一子组件（4）、第二子组件（200）和第三子组件（7）。在此，第三子组件（7）具有大量固定地彼此连接的调节销（71，72）。此外，第一子组件（4）具有数目为N1的第一调节口（43）而第二子组件（200）具有数目为N2的第二调节口（201）。所述调节销（71，72）中的每个都嵌接到所述第一调节口（43）中的不同第一调节口中和/或所述第二调节口（201）之一中。

Description

半导体模块装置和用于制造半导体模块装置的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体模块装置和一种用于制造半导体模块装置的方法。在安装半导体模块时，通常必须将每个子组件互相紧贴安装。在此，例如在安装孔与固定螺栓相比具有过大尺寸时，可能出现极大不同的公差。当半导体模块装置的三个或更多个子组件互相紧贴安装时，各个安装公差可以相加。这可能导致使其他子组件的安装变得困难。

发明内容

本发明的任务在于提供一种半导体模块装置和一种用于制造半导体模块装置的方法，其中半导体模块装置的三个或更多个子组件可以以高定位精度相对于彼此被安装。该任务通过根据权利要求1所述的半导体模块装置或通过根据权利要求13所述的用于制造半导体模块装置的方法来解决。本发明的扩展方案和改进方案是从属权利要求的主题。

要制造的半导体模块装置具有第一子组件、第二子组件和第三子组件。第三子组件包括大量固定地彼此连接的调节销，第一子组件包括数目为N1的第一调节口以及第二子组件包括数目为N2的其他调节口。调节销中的每个都嵌接到第一调节口之一和/或第二调节口之一中。

通过作为第三子组件的组成部分的调节销固定地彼此连接并且不仅第一子组件而且第二子组件相对于第三子组件用于调节的方式，其导致第一子组件相对于第二子组件的高安装精度。

一个、多个或所有调节销在此只能分别嵌接到第一子组件或第二子组件的一个调节口中，或不仅嵌接到第一子组件的一个调节口中而且嵌接到第二子组件的一个调节口中。

可选地，在首先提到的情况下，第三子组件可以具有数目为N1≥1的第一调节销和数目为N2≥1的第二调节销，第一子组件可以包括数目为N1的第一调节口，第一调节销中的不同的第一调节销分别嵌接到所述第一调节口中，而第二子组件可以具有数目为N2的第二调节口，第二调节销中的不同的第二调节销分别嵌接到所述第二调节口中。N1个第一调节销和N2个第二调节销的全体在此可以形成所述大量固定地彼此连接的调节销。

在制造这种半导体模块装置时，首先提供第一子组件、第二子组件和第三子组件作为相互独立的、彼此不连接的组件。在此，来自所述大量固定地彼此连接的调节销的所有调节销是第三子组件的整体的组成部分并且由此固定地彼此连接。然后，第一子组件、第二子组件和第三子组件相对于彼此被布置，使得调节销中的每个都嵌接到第一调节口之一中和/或第二调节口之一中。

附图说明

以下参照附图借助实施例来阐明本发明。其中：

图1A示出半导体模块装置的多个要互相紧贴安装的子组件的横截面；

图1B示出根据图1A的装置的半导体模块的横截面以及该半导体模块的放大的区段；

图1C示出借助调节销互相紧贴安装的子组件的横截面；

图2示出根据图1C的半导体模块装置的透视分解图与连接螺栓的附加图示；

图3示出根据图1C的半导体模块装置的俯视图。

具体实施方式

在这些图中，相同的附图标记表示具有相同功能的相同元件。倘使没有另外阐明，在不同图中所示的元件、特征、方法和方法步骤就可以以任意方式彼此组合，只要其不相互排斥。

图1A示出多个子组件4、7、10、200和300，其中至少三个子组件被彼此连接以便制造半导体模块装置。

子组件4为实心的、例如金属的底板。底板4例如可以具有至少2mm的厚度。该底板例如可以由金属构成，或由金属基质复合材料（MMC）构成。可选地，该底板在其上侧上可以配备有薄的涂层。这种涂层例如可以用于改善可焊接性，这例如可以利用镍涂层实现。但薄的涂层也可以用于使烧结连接的制造变得容易。在此情况下，涂层例如可以由贵金属、如银或金构成。

可选地，底板4可以装配有一个或多个电路载体2，其中的每个电路载体又可以在其背离底板4的侧上装配有一个或多个半导体芯片5。代替所示的三个电路载体2，也可以设置仅仅恰好一个、恰好两个电路载体2或者也可以设置多于三个的电路载体2。具有底板4和至少一个被装配的电路载体2的复合结构是半导体基本模块100'。

在任何情况下，这种结构都用于将在完成的半导体模块装置的运行中尤其在半导体芯片5中积累的损耗热通过相应的位于其下的电路载体2和底板4导出到冷却体300。为此，必须使冷却体300与底板4的背离半导体芯片5的侧热接触。为了在此改善底板4与冷却体300之间的热耦合，可以在底板4与冷却体300之间引入导热膏。冷却体300是特有的子组件。作为其他子组件还可以存在壳体7、壳体盖10和印刷电路板200。

图1B示出半导体基本模块100，其通过将壳体7和盖10安装在基本模块100'上来形成。然而，盖10是可选的，也就是说，盖也可以取消。同样，盖10也可以被构造为壳体7的固定组成部分。

在图1B中放大地示出了半导体模块100或基本模块100'来自电路载体2之一的区域的区段。然而在不同电路载体2的区域中的结构原则上是相同的。在电路载体2中的每个上布置有至少一个半导体芯片5。

半导体芯片5分别具有半导体本体50，该半导体本体配备有上部的接触金属化部51和下部的接触金属化部52。这种半导体芯片5例如可以是可控半导体开关、譬如MOSFET、IGBT、JFET、晶闸管或任意的其他的可控半导体开关，或是不可控的半导体开关、譬如二极管。上部的接触金属化部51和下部的接触金属化部52例如可以形成源极和漏极、漏极和源极、发射极和集电极、集电极和发射极、阳极和阴极或阴极和阳极。只要半导体芯片5是可控半导体开关，该半导体芯片就具有控制端子，即栅极端子或基极端子，该控制端子通过其他的未示出的金属化部形成，该金属化部可以在上部的接触金属化部51旁边并且与该上部的接触金属化部电绝缘地位于半导体本体50的上侧上或在下部的接触金属化部52旁边并且与该下部的接触金属化部电绝缘地位于半导体本体50的下侧上。

半导体基本模块100'例如可以具有恰好一个单独的半导体开关或者也可以具有多个单独的半导体开关。同样例如可能的是，两个单开关在构成半桥的情况下串联连接。半导体模块100在此可以例如包含恰好一个、恰好两个、恰好三个这种半桥、或者也可以包含多于三个的这种半桥。然而基本上可以任意地选择电路载体2的装配。

电路载体2中的每个都具有电介质绝缘载体20，该电介质绝缘载体在其上侧上配备有上部的接触金属化层21。上部的金属化层21可以结构化或未结构化。可选地，绝缘载体20在其背离上部的金属化层21的下侧上可以配备有下部的金属化层22。上部的金属化层21和下部的金属化层22在此可以彼此电绝缘。

上部的金属化层21和/或（只要设置）下部的金属化层22例如可以由铜、铜合金、铝、铝合金、但是也由任何其他金属构成。绝缘载体20例如可以被构造为陶瓷并且例如由氧化铝、氮化铝或氮化硅构成。例如，电路载体2可以是DCB衬底（direct copper bonding（直接铜接合））、DAB衬底（direct aluminum bonding（直接铝接合））或AMB衬底（active metal brazing（活性金属钎焊））。然而同样可能的是，将传统印刷电路板（PCB）用作电路载体2。

如借助放大地示出的区段可看出的那样，半导体芯片5借助连接层15与电路载体2连接，在该电路载体上分别布置有半导体芯片。连接层15在此直接接触半导体芯片5的下部的接触金属化部52和所涉及的电路载体2的上部的金属化层21。

只要设置有底板4，电路载体2中的每个就借助连接层16材料决定地（stoffschlüssig）与底板4连接。连接层16在此直接接触所涉及的电路载体2的下部的金属化层22和底板4。

连接层15、16可以彼此独立地并且以相互任意的组合被构造为焊接层或烧结的连接层。在烧结的连接层的情况下，该连接层例如可以包含烧结的银粉。

壳体7可以是电绝缘的。该壳体例如可以由热固性塑料或由热塑性塑料构成。这种壳体7例如可以借助注塑技术来制造。壳体7具有侧壁70，该侧壁可选地也可以环形地构造，并且该侧壁尤其包围一个或多个电路载体2以及一个或多个布置在所述电路载体上的半导体芯片5。

为了将完成了的半导体模块向外电连接，设置有电连接接触部3、913、923、933。在完成了的半导体模块运行时，半导体芯片5分别被负载电流流经。在此意义上，“负载电流”被理解为通过半导体芯片5的电流，该电流流经在源极与漏极之间的、在发射极与集电极之间的或在阳极与阴极之间的、即在上部的接触金属化部51与下部的接触金属化部52之间的半导体本体50。由于在半导体模块中这种负载电流可以采用非常高的值，所以需要相关的电连接接触部具有高电流承载能力。这通过连接接触部的高导体横截面来实现。在所示的实施例中，连接接触部913、923、933是负载连接接触部的一部分，其中连接接触部被构造为冲压的和弯曲的板。连接接触部913、923、933是导电的，例如借助焊接连接层或如前面所阐明的烧结连接层导电地连接到电路载体2的上部的金属化层21上或半导体芯片5的上部的接触金属化部51上。

对负载电流流经一个或多个半导体芯片5的连接接触部913、923、933补充地，此外还存在一个或多个连接接触部3，其用于传输如例如为激励半导体芯片5的控制端子所需的小信号，或用于传输其他信号，所述其他信号传输关于半导体模块的状态的信息、譬如半导体芯片5的温度5。

这些连接接触部3被构造为基本上直的销，这些销具有自由的第一端部31以及与第一端部31对置的第二端部32。这些第二端部32分别插入到导电的例如金属的套筒6中并且由此与该套筒导电连接。这些套筒6又例如通过焊接与电路载体2之一的上部的金属化层21导电连接。以此方式，可以实现在连接销3与在上部的金属化层21中构造的印制导线之间的导电连接。在该连接的其他分布中，这种印制导线可以连接到在电路载体2上所实现的电路的任意电势上。可选地，为此接合线8同样地可以被用于制造任意的其他的电连接。

连接接触部3如所阐明的那样特别是适于传输小电信号。然而同样可能的是，将两个或更多个这种连接接触部3电气并联并且由此提高电流承载能力，使得两个或更多个连接接触部3的并联也可以被用作用于传输流经一个或多个半导体芯片5的负载电流的负载端子。

可选地，连接接触部3可以分别具有压入区域33，该压入区域被压入印刷电路板200的接触孔211（参见图1A）中并且在此塑性变形，使得在连接接触部3与印刷电路板200之间建立电气压入连接。这种压入连接尤其可以根据DIN EN 60352-5（2004年4月状况）来构造或制造。

只要一般设置有壳体盖10，连接接触部3就可以被引导穿过壳体盖10的相应的通孔11（参见图1A），使得自由端部31和压入区域33在壳体盖10的背离一个或多个半导体芯片5的侧上从壳体盖的通孔11伸出。

可选地，壳体盖10可以在通孔11的朝向底板4的侧上分别具有引入漏斗部111，其输入口（即引入漏斗部111在端部（连接接触部3从该端部被推入引入漏斗部111中）上、在此即在下侧上的开口的宽度）大于通孔11的输入口（即通孔11在端部（连接接触部3从该端部被推入通孔11中）上、在此即在下侧上的开口的宽度）。通过这种引入漏斗部111确保自由的第一端部31在安放壳体盖10时被容纳并且被引入通孔11中。

印刷电路板200如所阐明的那样配备有电接触口211。接触口211例如可以被构造为金属化的通孔，这些通孔的金属化部电连接到印刷电路板200的在此未示出的印制导线上。这样的印制导线例如可以位于上侧上和/或下侧上，附加地或替代地但是也可以位于印刷电路板200的内部中。由于接触口211在压入连接接触部3之前相对于压入区域33具有不足的尺寸，所以压入区域33通过压入而塑性变形。

为了能够实现子组件、即底板4（未被装配或作为上面所阐明的半导体基本模块100'的组成部分）、壳体7（具有或没有壳体盖10）、壳体盖10、印刷电路板200和冷却体300中的至少三个子组件的精确相对定位，所述至少三个子组件中的第三子组件、在此壳体7具有大量固定地彼此连接的调节销71、72。这些调节销71、72中的每个都嵌接到所述至少三个子组件中的第一子组件（4）、在此底板4的一个或多个第一调节口43中的不同第一调节口中和/或所述至少三个子组件中的第二子组件（200）的一个或多个第二调节口201中的不同第二调节口中，其结果在图1C中被示出。

这包含在图1C中所示的第一替代方案，根据该第一替代方案，大量固定地彼此连接的调节销71、72可划分成两个销组：具有一个或多个第一调节销71的第一销组和具有一个或多个第二调节销72的销组，其中第一调节销71分别嵌接到第一子组件4的第一调节口43中，并且第二调节销72分别嵌接到第二子组件200的第二调节口201中。第一销组的调节销71因此嵌接到（第一）子组件（4）的调节口43中，该子组件不同于如下（第二）子组件（200），第二销组的调节销72嵌接到该子组件的调节口201中。

根据同样在图1C中所示的第二替代方案，在第三子组件、在此壳体7的大量调节销（在此为71）中这些调节销71中的每个也不仅嵌接到第一子组件、在此底板4的调节口43中（参见图1A），而且嵌接到第二子组件、在此冷却体300的调节口301中。

由于在所示的例子中壳体盖10和侧壁70作为分离的器件存在，所以在图1C中可选地还要第二次实现第二替代方案，其方式是：在第三子组件、在此壳体7的大量调节销（在此为72）中这些调节销72中的每个都不仅嵌接到第一子组件、在此壳体盖10的调节口12中（参见图1A）而且嵌接到第二子组件、在此印刷电路板200的调节口201中。

第一替代方案和第二替代方案的共同点因此原则上、即不仅在本例子中而且在本发明的所有其他构型中在于：大量固定地彼此连接的调节销（在该例子中：在第一替代方案中为71和72以及在两个第二替代方案中为71或72）是第三子组件的组成部分并且其整体用于嵌接到第一子组件和第二子组件的调节口中，使得（至少）第一子组件、第二子组件和第三子组件可以相对于彼此被定位。

在图中所阐明的例子只是要说明本发明的原理。在图1A到1C的用于阐明第一替代方案的例子中，第三子组件、即包含大量调节销71、72的子组件通过壳体7给定。然而，在两个替代方案中，第三子组件也可以通过半导体模块装置的任意的其他的子组件来给定。同样，第一子组件和第二子组件可以是半导体模块装置的任意的其他的子组件。仅仅重要的是，至少三个子组件中的第一子组件、第二子组件和第三子组件在其互相紧贴安装之前是分离的和彼此不同的组件。第一子组件、第二子组件和第三子组件因此可以是尤其如下组件中的任意选择：（1）作为底板（4）（被装配或未被装配）；（2）作为具有或没有壳体盖（10）的壳体（7）；（III）作为壳体盖（10）；（IV）作为冷却体（300）；（V）作为印刷电路板（200）。此外重要的是，第三子组件的大量调节销71、72的所有调节销于是也固定地彼此连接并且由此当这些子组件还未彼此连接时，尤其是当第三子组件作为分离的部分存在时是稳定的单元。

在子组件之一通过底板4给定的所有构型中，该子组件可以是未被装配的，但也可以是被装配的。例如，底板4可以材料决定地与一个或多个电路载体2连接，这些电路载体中的每个电路载体又材料决定地与半导体芯片5连接，该半导体芯片位于电路载体2的背离底板4的侧上。

此外，包括大量调节销的第三子组件可以一体式地构造并且在此可选地由统一的均匀的材料构成。该材料在此可以是电绝缘或导电的。例如，在根据图1C的装置中，调节销71、72和壳体侧壁70可以通过注塑工艺一起制造成复合结构。

在借助图1C所阐明的第一替代方案中，第一调节销71在第一方向r1上从第三子组件7的基体（70）延伸出，而第二调节销72可以在与第一方向r1相反的第二方向r2上从基体70延伸出。

如此外在图1C中示例性所示的，N1个第一调节销71中的一个、多个或每个和/或N2个第二调节销72中的一个、多个或每个可以被构造为剑形销。如下销在此可被理解为“剑形销”，该销在横向于该销延伸所朝着的方向r1或r2的截面平面中具有非圆形的外周，使得销在其被插入柱形开口中时在与延伸方向垂直的第一径向方向上具有压配合部而在不仅垂直于延伸方向而且垂直于第一径向方向的第二径向方向上具有细小的间隙。结果，剑形销由此仅在径向方向上有间隙，这导致特别高的调节精度。

此外，在本发明的所有构型中，大量固定地彼此连接的调节销71、72的所有调节销都无螺纹地构造。

可选地，不仅在第一替代方案中而且在第二替代方案中除了第一、第二和第三子组件之外还可以存在一个或多个另外的子组件，这些子组件中的每个子组件都具有一个或多个另外的调节口，在所有子组件的安装之后来自第三子组件的大量调节销的各一个调节销嵌接到所述调节口中。

不仅在第一替代方案中而且在第二替代方案中，第一子组件可以具有数目为N1的第一调节口，其中N1可以等于1或大于1，而第二子组件可以具有数目为N2的第二调节口，其中N2也可以等于1或大于1。

图2还示出根据图1C的装置的分解图，其中附加地还示出了用于将元件互相紧贴固定的不同螺栓。这样，嵌接到印刷电路板200的通孔202中的螺栓502用于将印刷电路板200加固在半导体模块100上。其他螺栓502与可选的垫圈513结合用于将功率半导体模块100旋紧在具有冷却体300的螺纹孔303的底板4上，其方式是：螺栓503被引导穿过底板4的安装口43并且被旋入螺纹孔303中。相应的安全螺栓也可以被使用在所有其他构型中。

图3于是还示出图1C中所示的半导体模块装置的俯视图，然而没有图2中所示的螺栓502、503以及没有冷却体300。同样示出了属于图1A到1C的截面平面E-E'。

如此外从根据图2和图3的视图可得知的那样，半导体模块100可以具有其他负载连接接触部911、921、931，例如用于连接正电源电压，以及具有其他负载连接接触部912、922、932，例如用于连接负电源电压。这些连接接触部911、912、921、922、931、932与连接接触部913、923、933一样可以被构造为冲压的并且弯曲的板并且与电路载体2的一个或多个连接。

Claims (15)

1.一种半导体模块装置，具有第一子组件（4，300）、第二子组件（10，200）和第三子组件（7），其中

所述第三子组件（7）具有大量固定地彼此连接的调节销（71，72）；

所述第一子组件（4，300）具有数目为N1 的第一调节口（43，301）；

所述第二子组件（10，200）具有数目为N2 的第二调节口（12，201）；以及

所述调节销（71，72）中的每个都嵌接到所述第一调节口（43，301）之一中和/或所述第二调节口（12，201）之一中。

2.一种半导体模块装置，具有第一子组件（4，300）、第二子组件（10，200）和第三子组件（7），其中

所述第三子组件（7）具有数目为N1≥1的第一调节销（71）；

所述第一子组件（4，300）具有数目为N1的第一调节口（43，301），所述第一调节销（71）中的不同第一调节销分别嵌接到所述第一调节口中；

所述第三子组件（7）具有数目为N2≥1的第二调节销（72）；

所述第二子组件（10，200）具有数目为N2的第二调节口（12，201），所述第二调节销（72）中的不同第二调节销分别嵌接到所述第二调节口中；

N1个第一调节销（71）和N2个第二调节销（72）的全体形成大量固定地彼此连接的调节销（71，72）。

3.根据权利要求1或2所述的半导体模块装置，其中所述第一子组件（4，300）、所述第二子组件（10，200）和所述第三子组件（7）以任意的组合被构造为如下子组件I至V中的各一个不同的子组件：

（I）底板（4），被装配或未被装配；

（II）具有或没有壳体盖（10）的壳体（7）；

（III）壳体盖（10）；

（IV）冷却体（300）；

（V）印刷电路板（200）。

4.根据权利要求3所述的半导体模块装置，其中所述底板（4）材料决定地与电路载体（2）连接，所述电路载体又材料决定地与半导体芯片（5）连接，所述半导体芯片被布置在所述电路载体（2）的背离所述底板（4）的侧上。

5.根据上述权利要求之一所述的半导体模块装置，其中所述第三子组件（7）一体式地构造并且由统一的均匀的材料构成。

6.根据权利要求5所述的半导体模块装置，其中所述统一的均匀的材料是金属或塑料或压制材料。

7.根据上述权利要求之一所述的半导体模块装置，其中

所述第三子组件（7）具有基体（70）；

所述第一调节销（71）在第一方向（r1）上从所述基体（70）延伸出，以及

所述第二调节销（72）在与所述第一方向（r1）相反的第二方向（r2）上从所述基体（70）延伸出。

8.根据权利要求7所述的半导体模块装置，其中所述基体（70）被构造为壳体（7）的环形塑料框架，在所述环形塑料框架中布置有半导体芯片（5）。

9.根据上述权利要求之一所述的半导体模块装置，其中

所述第一子组件（4）被构造为底板，所述底板材料决定地与电路载体连接，所述电路载体又材料决定地与半导体芯片连接，所述半导体芯片被布置在所述电路载体的背离所述底板（4）的侧上；以及

所述第二子组件（200）被构造为印刷电路板。

10.根据权利要求8所述的半导体模块装置，具有另外的子组件，所述另外的子组件被构造为冷却体，所述冷却体具有数目为N1的另外的调节口（301），所述第一调节销（71）中的不同第一调节销分别嵌接到所述另外的调节口中。

11.根据上述权利要求之一所述的半导体模块装置，其中

所述N1个第一调节销（71）中的一个、多个或每个调节销被构造为剑形销；和/或

所述N2个第二调节销（72）中的一个、多个或每个调节销被构造为剑形销。

12.根据上述权利要求之一所述的半导体模块装置，其中所述大量固定地彼此连接的调节销（71，72）的所有调节销无螺纹地构造。

13.一种用来制造半导体模块装置的方法，该半导体模块装置根据上述权利要求之一来构造，该方法具有如下步骤：

提供第一子组件（4，300）、第二子组件（10，200）和第三子组件（7）作为相互独立的、彼此不连接的组件，其中大量固定地彼此连接的调节销（71，72）的所有调节销是所述第三子组件（7）的整体的组成部分并且由此固定地彼此连接；

将所述第一子组件（4，300）、所述第二子组件（10，200）和所述第三子组件（7）相对于彼此布置，使得所述调节销（71，72）中的每个调节销都嵌接到所述第一调节口（43，301）之一中和/或所述第二调节口（12，201）之一中。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述第一子组件（4，300）、所述第二子组件（10，200）和所述第三子组件（7）相对于彼此布置，使得

所述N1个第一调节销（71）中的每个嵌接到所述N1个第一调节口（43，301）中的不同第一调节口中；以及

所述N2个第二调节销（72）中的每个嵌接到所述N2个第二调节口（12，201）中的不同第二调节口中。

15.根据权利要求13或14所述的方法，包括另外的步骤：

提供多个第一螺栓（503）和多个第二螺栓（502）；

借助所述第一螺栓（503）将第三子组件（7）与第一子组件（4，300）旋紧；以及

借助所述第二螺栓（502）将第三子组件（7）与第二子组件（10，200）旋紧。