CN104966710B - 接触元件、功率半导体模块及其制造方法 - Google Patents

接触元件、功率半导体模块及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于具有电路载板和至少一个功率半导体元件的功率半导体模块的接触元件。更具体地，涉及具有用于接触外部电子部件的改进的接触元件的功率半导体模块。本发明还涉及制造该功率半导体模块的方法。本发明提供一种用于将功率半导体模块(122)电连接至外部电子部件的接触元件，功率半导体模块(122)包括具有至少一个导电引线的电路载板(102)，以及至少一个半导体元件(124)。所述接触元件(100)包括烧结接触部件(106，134)和至少一个接触柱(108)，所述烧结接触部件(106，134)烧结至电路载板(102)从而电连接至导电引线，所述接触柱(108)用于接触外部电子部件，并且，借助于压配合和/或形状配合连接而连所述接至烧结接触部件(106，134)。

Description

接触元件、功率半导体模块及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于具有电路载板和至少一个功率半导体元件的功率半导体模块的接触元件。特别地，本发明涉及具有用于接触外部电子部件的改进接触元件的功率半导体模块。本发明还涉及一种制造该功率半导体模块的方法。
背景技术
功率半导体已经广泛地用于汽车电子、能量管理和工业电动机以及自动化技术。通常，这些功率半导体一起集成在功率半导体模块中，该模块根据特定应用需求而设计。诸如汽车、风力、太阳能和标准工业驱动的高功率应用需要满足高可靠性以及热、机械和电气耐用性需求的功率模块。例如，这些功率模块可以形成功率转换电路，诸如AC/DC转换器或DC/DC转换器。
因为诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOSFETs或二极管的功率半导体会产生至少暂时的高温，所以必须对功率半导体模块进行有效的热管理。用于实现快速散热的有希望的方案是使用直接敷铜(DCB)电路载板、直接敷铝衬底、或绝缘的金属衬底(IMS)，其承载了表面安装技术中的功率半导体芯片。通常，功率半导体芯片与具有结构化的铜或铝层在载板上电连接。在顶侧(与邻接电路载板表面相对的表面)上，芯片借助于线或带键合而电连接至芯片载板上的金属引线图案。特别地，带键合的使用具有高电流承载能力的优点。电路载板包括例如由氧化铝或氮化铝形成的电绝缘层。
为了在芯片与衬底之间形成可靠的和坚固的电以及机械和热接触，越来越多地用银烧结工艺替代焊接来连接芯片的金属化背面与电路载板表面。为了产生烧结的芯片/衬底连接，在两个接合部分之间设置特殊的银颗粒层，并且，通过在给定的时间对结合部施加给定的温度和压力，以产生稳定的烧结连接。由芯片与衬底之间的烧结层获得的接触强度极高，并且该烧结层显示出高负载循环能力，并且与通过焊接技术获得的精度相比，烧结技术改进了芯片相对于衬底的位置精度。由于烧结层通常远薄于通用焊接层，因而烧结层的热导率也高得多。这导致了烧结连接中的优良热特性。此外，因为烧结连接所用的银的熔点约为当今普遍使用的无铅焊料的熔点的四倍，所以烧结层还表现出比焊接层高得多的循环能力。
除了电路载板与功率半导体之间的顶侧连接之外，功率半导体模块还需要电连接至诸如印刷电路板的外部电子部件。这些所谓输入/输出(I/O)接触通常借助于焊接柱或弹簧接触形成，例如DE 10 2004 057421B4和DE 100 08572 B4中所示。然而，不仅提供弹簧接触导致机械组装复杂，而且，将接触元件焊接至电路载板的步骤导致组装过程更加复杂。特别是，焊接步骤总是需要另外的清洁和清洗步骤，这是耗时并且昂贵的。此外，当在引线键合或带键合连接之前进行组装接触柱时，存在接触柱阻碍键合机运作的问题。
发明内容
本发明针对的问题是提供一种节约成本的方式来制造接触元件以及具有高可靠性和高电流承载能力的功率半导体模块。
为实现上述目的，本发明提供一种用于将功率半导体模块电连接至外部电子部件的接触元件，所述功率半导体模块包括具有至少一个导电引线的电路载板，以及至少一个半导体元件，其中，所述接触元件包括烧结接触部件和至少一个接触柱，所述烧结接触部件烧结至所述电路载板从而电连接至所述导电引线，所述接触柱用于接触所述外部电子部件，并且，所述接触柱借助于压配合和/或形状配合连接而连接至所述烧结接触部件。
本发明还提供一种功率半导体模块，其包括：电路载板，具有至少一个导电引线；至少一个半导体元件；以及，至少一个本发明的接触元件，用于将所述功率半导体模块电连接至外部电子部件。
本发明还提供一种用于制造功率半导体模块的方法，其包括以下步骤：提供电路载板；将至少一个半导体元件和至少一个可烧结接触部件放置至所述电路载板上；执行烧结步骤，以同时将所述至少一个半导体元件和所述至少一个可烧结接触部件与所述电路载板连接起来；在所述至少一个半导体元件与所述电路载板之间形成顶侧连接；以及，借助于压配合和/或形状配合连接，将接触柱与所述烧结接触部件接合，由此形成用于接触外部电子部件的接触元件。
本发明是基于由烧结接触部件和分立的接触柱形成接触元件的理念。烧结接触部件可以形成为平坦的、例如环形的插座元件，或者形成为配装入位于接触柱上的插座中的突起。根据本发明的烧结接触部件烧结至电路载板，并且，仅在已经形成引线键合和/或带键合连接之后，使稍后将提供与外部电子部件的电连接接触柱连接至该烧结接触部件。借助于压配合或形状配合连接而不是焊接来形成烧结接触部件与接触柱之间的连接。
首先，该连接技术的优点在于：借助于可以与在电路载板上固定芯片的烧结步骤同时执行的烧结步骤，能够建立电路载板和烧结接触部件之间稳定的机械和电连接。烧结接触部件也可以放置在芯片表面上，并且可以在芯片与烧结接触部件之间建立烧结连接。由于烧结接触部件是平坦的，其并未阻碍键合机的路径。特别是，烧结接触部件沿轴线以及纵向方向基本上是无回弹的。由此，易于施加压力以建立烧结连接。
本发明的另一优点在于：可以采用标准模片键合或SMT(表面安装技术)组装机器来进行烧结接触部件的组装。此外，接触柱可以与商业可获得的机器相连。因此，无需特别设计的组装设备。
例如，在键合连接已连接之后，用于建立与印刷电路板的连接的接触柱可以插入形成烧结接触部件的插座元件。根据本发明，可以提供压配合连接或者螺纹配合连接。压配合连接可以以更简易方式制造，而螺纹配合连接可以在两个部件之间采用较少的机械压力组装。
此外，螺纹配合连接也可以由设置在接触柱处的自攻螺纹形成。
对于压配合的情形，接触柱设置有至少在一个方向上比插座元件的内截面更大的截面。特别是，接触柱可以具有圆形、椭圆或多边形形状的截面。此外，任何其它合适的突起可以设置在接触柱的表面用于与插座元件的内表面接合。合适的突起也可以设置在插座元件的内表面。
备选地，烧结接触部件也可以形成为烧结突起，而接触柱设置有经由压配合或形状配合连接或两者而连接至突起的插座元件。特别是，关于插座元件和接触柱的安装的所有理念也可以类推地应用于插座设置在接触柱上以及烧结接触部件是烧结突起的情形。
使用烧结突起替代烧结插座的优点在于：利用烧结工艺处理能够采用更简单的几何部件。优选地，插座元件和接触柱可以以整体件的接触柱的形式形成，例如利用本领域已知的冲压或机加工工艺。
为了允许在环形插座元件或烧结突起与电路载板之间的烧结连接，采用诸如银或银合金的可烧结材料涂覆电路载板表面或者插座元件。烧结膏体应该与施加的材料类型相配-如当今的Ag、Au和Cu工作表面烧结膏体。然而，根据本发明的理念可以与可应用的所有可烧结材料一起使用。当然，两个部件均也可以采用各自烧结材料涂覆。
用于制造根据本发明的功率半导体模块的方法包括以下步骤：
提供电路载板；
将至少一个半导体元件和至少一个可烧结接触部件放置至所述电路载板上；
执行烧结步骤，以同时将所述至少一个半导体元件和所述至少一个可烧结接触部件与所述电路载板连接起来；
在所述至少一个半导体元件与所述电路载板之间形成顶侧连接，并且将接触柱与所述烧结接触部件接合，由此形成用于接触外部电子部件的接触元件。
通过上述步骤的该特定工序，可以克服现有技术方案具有的上述问题，并且可以建立与外部电子部件的特别稳定和简单的连接。
附图说明
附图包含在说明书中并且形成说明书的一部分以示出本发明的多个实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅是用于示出可以如何制造和使用本发明的优选和备选示例，并且不应当解释为仅将本发明限定至所示和所述的实施例。此外，实施例的多个特征可以-单独地或者以不同组合-形成根据本发明的解决方案。通过下文对本发明的各个实施例更具体描述，其它特征和优点将变得显而易见，如附图所示，其中相同的附图标记表示相同的元件，在附图中：
图1示出了具有压配合接触柱的接触元件的示意图；
图2示出了具有螺纹接触柱的接触元件；
图3示出了根据第一实施例的在插座元件内的压配合接触区域的剖视图；
图4示出了根据第二实施例的在插座元件内的压配合接触区域的剖视图；
图5示出了根据第三实施例的在插座元件内的压配合接触区域的剖视图；
图6示出了根据第四实施例的在插座元件内的压配合接触区域的剖视图；
图7示出了根据第五实施例的在插座元件内的压配合接触区域的剖视图；
图8示出了根据第六实施例的在插座元件内的压配合接触区域的剖视图；
图9示出了根据第七实施例的在插座元件内的压配合接触区域的剖视图；
图10示出了具有螺纹接触元件的功率半导体模块的示意图；
图11示出了将用焊接安装的接触元件的功率模块的制造与使用根据本发明的接触元件时的制造相比的流程图；
图12示出了具有多于一个插座的烧结接触部件的功率半导体模块的示意图；
图13示出了具有形成用于插入接触柱的插座中的突起的烧结接触部件的功率半导体模块的示意图；
图14是穿过图13中所示接触元件的剖视图。
具体实施方式
参见图1，示出了根据本发明的接触元件的示意图。
根据本发明的接触元件100借助于烧结连接104连接至电路载板102。为了建立该烧结连接104，接触元件100形成为双部部件：烧结接触部件，具体而言是插座元件106，以及分立的接触柱108。根据本发明的第一实施例，插座元件106由刚性的、平坦的、环形金属部件形成，其可以在烧结步骤期间承受温度和压力而不会发生问题。为了形成完整的接触元件100，首先将插座元件106烧结至电路载板102，随后将接触柱108连接至插座元件。根据图1所示的实施例，接触柱借助于过盈压配合连接110固定在插座元件106内。设置在接触柱108处的凸缘形突起颈圈112提供了用于接触柱插入的停止器，并且还确保了接触柱在插座元件106内的竖直定位。根据本发明，在已经连接了设置在电路载板102上的任何芯片的所有键合部之后，再把接触柱108插入插座元件106中。相对平坦的环形插座元件106并未阻碍键合机的路径。
插座元件106由环形部件形成，根据图1所示实施例，其具有用于与接触柱108的星形压配合部114接合的圆形截面。为了促进压配合部114的插入，插座元件106在其内表面处具有漏斗形槽框116。
根据本发明，插座元件106可以采用可烧结材料涂覆，诸如银、银合金、金和/或铜。另外地或备选地，可以利用化学或物理方法施加烧结材料(典型地NiAu、NiPdAu、AgPd、AuPd或Ag)来涂覆与插座元件106连接的电路载板102的迹印区域(footprint area)。有利地，以含有涂覆颗粒的膏体的形式施加可烧结金属。烧结工艺是一种广泛使用的连接技术以用于将功率半导体部件连接至电路载板，并且涉及至少230℃的温度。通常，烧结在大气环境下执行，并且在大多数情形中在接合工艺期间施加约30MPa的压力并且维持至少数秒。也存在不需压力的烧结银膏，但是替代地需要扩展高温周期。然而，不采用机械压力的烧结连接部与在机械压力下形成的烧结连接部相比易于孔多，并且没有在机械压力下形成的烧结连接部稳定。因此，有利的是，借助于通用烧结挤压装置能够很容易地向下挤压根据本发明的插座元件。
图2示出了根据本发明的接触元件100的另一实施例。根据该实施例，插座元件106借助于螺纹连接118连接至接触柱108。优选地，插座元件设置有螺纹并且接触柱108带有对应的螺纹。然而，也可以使用自攻机构，其中两个待连接的部件中的仅一个带有螺纹，该带螺纹的部件在另一部件内切割出自已的路径。设置螺纹、尤其是在两个部件上都制造出螺纹的优点是：当执行接合工艺时不必沿纵向方向施加压力。另一方面，所述压配合接触柱则只需要插入即可，而无需在组装期间转动接触柱108。
图3至图9示例性地示出了如何形成压配合部分114和插座元件106的匹配内表面120的数个示例。为了建立压配合连接，压配合部114的直径必须至少在数个区域中大于插座元件的内直径。如图3所示，例如，可以通过将圆形接触柱压入方形插座来完成。图4示出了图1的星形压配合部114，而图5至图8示出了在圆形插座中的压配合部114的数个多边形截面形式。图9示出了圆形压配合部114插入插座元件的较小圆形内表面120中的情形。
然而，对于本领域技术人员而言明显的是，导致在待接合的两个部件之间相互作用的、在任一插座元件或接触柱或两者处突起的合适形式也可以用于形成根据本发明的接触元件100。此外，长圆形特别是椭圆形截面可以用于压配合部和/或插座。
图10以透视图示出了功率半导体模块122的一示例，该模块具有根据本发明的两个接触元件。设置接触元件100以用作功率半导体芯片124的输入/输出端子。在该具体示例中，电路载板102由直接敷铜结构形成，其部分地由合适的烧结材料126覆盖。如图10所示，接触元件100由具有螺纹的插座元件106、以及如图1所示为标准压配合接触柱的接触柱108形成。插座元件(附图标记106a)可以连接至电路载板102，或者插座元件(附图标记106b)可以连接至半导体芯片124。
图11将加工工序128与创新性工序130进行对比，该加工工序128用焊接技术制造接触元件来组装功率半导体模块，而创新性工序130则通过烧结插座元件106来连接双部件接触元件100。在接触柱放置于焊料夹具中的一般工艺128中，首先丝网印刷焊料膏体，并且将模片烧结至印刷电路板上。在下一步骤中，执行焊接，并且在X-射线检查之后，需要进行清洁步骤以移除焊接步骤所需的助熔剂。
在清洁之后，引线键合模片，并且使各个衬底分开。根据焊接工艺128，接触柱现在要组装入焊料夹具中，并且必须被焊接，这是另一焊接步骤，该焊接步骤后续也需要耗费时间的清洁步骤。为了完成生产，现在需要进行光学检查。随后，胶合外壳，并且执行硅树脂灌注步骤。在机械检查之后，进行标记、电测试、最终完成封装。
与传统的制造方法128相比，根据本发明的工序130使用同时烧结步骤来将芯片124和插座元件106接合至电路载板102：首先，将烧结膏体施加至电路载板102上(例如模板印刷、分配、层压、丝网印刷等)，并且将插座元件106在电路载板上对齐。备选地，本发明也包括将膏体施加在芯片或插座的背面上的组装变形方式。接着，将功率半导体模片放置并且固定在电路载板上。在同时烧结步骤132中，插座元件106和半导体芯片124均与电路载板102接合。
然而，根据本发明，不再需要焊接技术工序128所必需的清洁步骤。接下来的两个步骤，即芯片的引线键合与衬底分割，与工序128相同。现在通过将接触柱108压配合或旋入插座元件106中来完成接触柱安装。无需焊接步骤来固定接触柱。因此，也可以省略伴随该接触柱焊接操作的清洁步骤。本发明另外的优点在于，在该步骤中不需要采用特殊工具就能够生产出接触柱形状和尺寸偏离的产品变体。
以光学检查开始并且以封装步骤结束的最终步骤与工序128相同。
图12示出了根据本发明的另一有利的实施例。特别地，根据该实施例，形成烧结接触部件106以容纳多个开口138，所述开口均可以容纳待旋入或压配入其中的接触柱108。为了使每个接触柱108之间电绝缘，该多插座组块106可以由绝缘材料(例如陶瓷)制造，并且可以仅在开口138内侧以及在烧结至中心材料126的底侧的特定位置处覆盖导电材料。然而，如果仅需要等电位的多个互连接触柱，那么，多插座组块106当然也可以完全由导电材料形成。当然，参照图1至图9所述的所有连接原理也可以用于接触柱与所属插座138之间的连接。
根据本发明的原理，通过如图13所示在烧结步骤之后组装的接触柱108处设置插座，也可以实现使接触元件形成为双部件的形式并且用烧结接触部件作为接触元件的一个元件的理念。根据该实施例，烧结接触部件由烧结突起134形成。这些烧结突起134可以形成为类似于如图1至图10所示的压配合部114或螺纹118的形式。主要的差别在于，交换了插座和插入的接触部件的位置，其中烧结突起设置在电路板102上，而插座形成在接触柱108上。对于一些应用，将插座部件不作为烧结元件而是直接在接触柱108处形成要更容易一些。
图14示意性地示出了从图13的接触元件100截出的剖视图。从该附图可以得知，烧结突起134借助于烧结连接104固定至电路载板102。接触柱108与插座元件136整体成型，安装该插座元件136以包围烧结突起134并且与烧结突起134形成形状配合和/或压配合连接。如前所述，可以以同样的方式对相互作用的烧结插座元件106和插入的接触柱108应用所有合适的截面组合。本质上这是之前所介绍的实施例的反设计。例如，烧结突起可以由铜块形成，并且I/O接触柱借助于诸如压配合、过盈配合或螺栓螺母连接的如上所述的相同工艺组装至这些接触元件上。当然，组装工艺以及优点与之前所述的核心设计相同。如上所述，该接触部件可以设计成具有图3-图9中标记114所指示的任何截面。接触柱插座的内部设计可以简单的是圆柱形，或者备选地，接触柱插座的内部设计可以是多面体截面，而接触组块具有简单的圆柱形状。
另一方面，多插座接触部件可以在一个本体或组块内控制多个接触柱，并且每个插座的接触柱数目仅由电路载板的尺寸限制。
总之，创新性的组装方法比用于接触元件的采用标准焊接技术的组装方法简单且快速。在一个同时的处理步骤中烧结用于形成电和机械连接的芯片和插座。由此，可节省能量、工艺时间、清洁工序和相关成本，也省略了迹印区域(room footprint)应保持清洁的要求。可以在I/O接触柱组装之前，键合芯片和电路载板。此外，可以在电路载板与接触元件之间提供稳定得多、可靠得多的连接。

Claims (17)

1.一种用于将功率半导体模块(122)电连接至外部电子部件的接触元件，
所述功率半导体模块(122)包括具有至少一个导电引线的电路载板(102)，以及至少一个半导体元件(124)，
其中，所述接触元件包括烧结接触部件和至少一个接触柱(108)，所述烧结接触部件烧结至所述电路载板(102)从而电连接至所述导电引线，所述接触柱(108)用于接触所述外部电子部件，并且
所述接触柱(108)和所述烧结接触部件形成为经由压配合连接或螺纹配合连接彼此固定。
2.根据权利要求1所述的接触元件，其中，所述烧结接触部件包括平坦的第一插座元件(106)，并且所述至少一个接触柱(108)至少部分地布置在所述第一插座元件(106)内。
3.根据权利要求2所述的接触元件，其中，所述第一插座元件(106)的内截面在至少一个方向上具有比所述接触柱(108)小的直径；或者
其中，所述第一插座元件(106)具有内表面，所述内表面设置有螺纹(118)或者形成为由设置在所述接触柱(108)处的螺纹自攻；或者
其中，所述接触柱(108)具有圆形、椭圆或多边形的横截面，或者具有设置其上的突起，以与所述第一插座元件(106)的内表面相互作用。
4.根据权利要求2所述的接触元件，其中，所述第一插座元件(106)形成为与多个接触柱(108)连接。
5.根据权利要求1所述的接触元件，其中，所述烧结接触部件包括突起(134)，该突起至少部分地插入设置在所述接触柱(108)上的第二插座元件(136)内。
6.根据权利要求5所述的接触元件，其中，所述第二插座元件(136)的内截面在至少一个方向上具有比所述突起(134)小的直径；或者
其中，所述第二插座元件(136)具有内表面，所述内表面设置有螺纹(118)或者形成为由设置在所述突起(134)处的螺纹自攻。
7.根据权利要求5所述的接触元件，其中，所述突起(134)具有圆形、椭圆或多边形的横截面，或者具有设置其上的突起，以与所述第二插座元件(136)的内表面相互作用。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的接触元件，其中，所述烧结接触部件至少部分地覆盖有促进所述烧结连接的覆层。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的接触元件，其中，所述烧结接触部件在轴线和纵向方向上是无弹性的。
10.一种功率半导体模块，包括：
电路载板(102)，具有至少一个导电引线；
至少一个半导体元件；和
至少一个根据权利要求1至9中任一项所述的接触元件(100)，用于将所述功率半导体模块(122)电连接至外部电子部件。
11.根据权利要求10所述的功率半导体模块，其中，所述至少一个接触元件(100)包括根据权利要求2的接触元件并且所述电路载板(102)包括用于促进所述接触元件的所述第一插座元件(106)与所述电路载板(102)之间烧结连接的烧结材料层。
12.根据权利要求10或11所述的功率半导体模块，其中，所述电路载板(102)包括陶瓷衬底、直接敷铜(DCB)电路载板、直接敷铝衬底、或者绝缘金属衬底(IMS)。
13.一种用于制造功率半导体模块的方法，包括以下步骤：
提供电路载板；
将至少一个半导体元件和至少一个可烧结接触部件放置至所述电路载板上；
执行烧结步骤，将所述至少一个可烧结接触部件烧结为至少一个烧结接触部件以同时将所述至少一个半导体元件和所述至少一个烧结接触部件与所述电路载板连接起来；
在所述烧结步骤之后，在所述至少一个半导体元件与所述电路载板之间形成顶侧连接；以及
借助于压配合连接或螺纹配合，将接触柱与在烧结步骤中烧结的所述可烧结接触部件固定，由此形成用于接触外部电子部件的接触元件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述接触柱挤压或者旋入形成烧结接触部件的第一插座元件中，或者，所述接触柱设置有第二插座，形成所述烧结接触部件的突起挤压或者旋入所述第二插座中。
15.根据权利要求13或14所述的方法，还包括在把所述可烧结接触部件放置于所述电路载板之前用可烧结覆层涂覆所述可烧结接触部件的步骤。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述提供电路载板包括施加用于促进所述可烧结接触部件与所述电路载板之间烧结连接的烧结材料层的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述烧结材料层包括借助于化学或物理方法施加的NiAu、NiPdAu、AgPd、Au或Ag。
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