CN107180823A - 具有金属模铸体的封装的功率半导体装置 - Google Patents

具有金属模铸体的封装的功率半导体装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有金属模铸体的封装的功率半导体装置，其中，从金属模铸体的第一和第二主表面开始，分别形成第一和第二凹陷，第一和第二功率半导体元件分别设置在第一和第二凹陷中，第一功率半导体元件的第一接触表面以导电方式连接到基底；第二功率半导体元件的第一接触表面以导电方式连接到基底。在两个主表面上设置各自的绝缘材料层，填充并完全覆盖至少各自的凹陷，其中第一和第二绝缘层分别具有导电的第一和第二通路，第一通路以导电方式将第一功率半导体元件的第二接触表面连接到设置在第一绝缘层上的第一导电表面，第二通路以导电方式将第二功率半导体元件的第二接触表面连接到设置在第二绝缘层上的第二导电表面。

Description

具有金属模铸体的封装的功率半导体装置
技术领域
本发明描述封装的功率半导体装置，其被构建为例如作为整流器电路或逆变器电路。
背景技术
现有技术中已知，封装的功率半导体装置具有金属本体和两个功率半导体元件，例如在EP 2 881 985 A1中公开的，其中功率半导体元件在金属模铸体上以堆叠方式设置。由绝缘材料封装功率半导体元件，其中绝缘材料还围绕功率半导体元件的连接线。
利用上述这些因素的知识，本发明是基于提供封装的功率半导体装置的目的，其特别是在支持有效冷却和均匀排布方面改进现有技术。
根据本发明，利用金属模铸体构造封装的功率半导体装置，金属模铸体形成第一连接导体。从金属模铸体的第一主表面开始，形成具有第一基底的第一凹陷，第一功率半导体元件设置在第一凹陷中，其中第一功率半导体元件面向第一基底的第一接触表面以导电方式连接到该基底。从金属模铸体的第二主表面开始，形成具有第二基底的第二凹陷，第二功率半导体元件设置在第二凹陷中，其中第二功率半导体元件的与第二基底相关的第一接触表面以导电方式连接到该基底。在两个主表面上设置各自的绝缘材料层，填充并完全覆盖至少各自的凹陷，其中第一绝缘层具有导电的第一通路，其以导电方式将第一功率半导体元件的第二接触表面连接到设置在第一绝缘层上的第一导电表面，且其中第二绝缘层具有导电的第二通路，其以导电方式将第二功率半导体元件的第二接触表面连接到设置在第二绝缘层上的第二导电表面。
第一连接导体优选形成AC电压连接，同时第一和第二导电表面形成补充(further)连接导体，补充连接导体形成DC电压连接。
优选地，如果功率半导体元件的至少一个是与相关联的冷却装置热接触，冷却装置设置在远离金属模铸体的该导电表面的一侧上，并且优选通过电绝缘夹层与冷却装置绝缘。特别地，这里各自的绝缘层和关联的绝缘夹层能简化为共同的绝缘层。
这样是有利的，如果第一功率半导体元件具有朝向第一凹陷的基底且优选被构造为控制接触表面的第一补充接触表面，并且其中与金属模铸体电绝缘的第一补充通路与该第一补充接触表面相关联，第一补充通路以导电方式将该第一补充接触表面连接到设置在第二绝缘层上的第一补充导电表面。
这样也是有利的，如果第二功率半导体元件具有远离第二凹陷的第二基底且优选被构造为控制接触表面的第二补充接触表面，并且其中第二补充通路与该第二补充接触表面相关联，第二补充通路以导电方式将该第二补充接触表面连接到设置在第二绝缘层上的第二补充导电表面。
如果第二导电表面、第一补充导电表面和第二补充导电表面由金属箔构成，金属箔被排列在内部且因此形成相互电绝缘的导电迹线，将实现优选实施例。这里，可由绝缘材料箔在远离金属模铸体的一侧覆盖金属箔的导电迹线。此外，两种箔可彼此粘附性地连接。
这样是特别优选的，如果第一和第二补充导电表面连接到用于控制功率半导体元件的控制装置。
这样是有利的，如果金属模铸体具有用于冷却功率半导体元件的空腔。这里，空腔可形成热管的一部分。可替换的，空腔可被设计用于液体或气体冷却剂流过其中。
没有声明时，只要其本身没有排除，根据本发明，单独提及的特征可在一个功率半导体装置中多次出现。以示例非方式，所述第一和第二功率半导体元件涉及在每种情况下的至少一个功率半导体元件。因此，相似的功率半导体元件可出现多次；特别地，功率半导体元件还可被构造为两个不同功率半导体元件的并联电路，特别地，如续流二极管与功率晶体管的并联电路。类似地，各自的通路优选出现多次。
没有声明时，为了获得改善，本发明的不同实施例可单独地实现或只要其本身没有排除可任意组合。特别地，在不偏离本发明的范围的情况下，上下文提及和解释的特征不仅可用于指明的组合，还可用于其他组合或独立使用。
在下文对本发明的典型实施例的详细描述中揭示本发明的进一步解释、有益的细节和特征，本发明的典型实施例在图1-6或其各自部分中示意性举例说明。
附图说明
图1-4示出根据本发明的功率半导体装置的不同实施例的截面图。
图5示出根据本发明的功率半导体装置的平面图。
图6示出根据本发明的功率半导体装置的改进的第一实施例的截面图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的功率半导体装置1的第一实施例，功率半导体装置1是单相整流器电路形式。示出了具有低电阻系数的铜或其他材料的金属模铸体2，其形成第一连接导体——这里是AC电压连接的连接导体。这里外部连接被描述为贯穿相应的接收装置280的螺钉连接28，但外部连接不限于此。在金属模铸体2的这个实施例中，其具有第一主表面20和平行于第一主表面的第二主表面24，其中金属模铸体2具有1.2mm的厚度，即主表面20和24彼此的间隔。优选金属模铸体2的厚度在0.8mm到2mm之间，取决于另外的参数，在0.5mm到0.8mm中间或甚至大于2mm的厚度也是可行的。
从第一主表面20开始——在这个以及另外的说明中是较低的主表面——第一凹陷22设置在这里。第一凹陷22用作容纳第一功率半导体元件30，这里为二极管，且更精确的为功率二极管。优选凹陷22具有与二极管30的厚度相应的深度，通常在60μm到200μm之间，至少达到几十个百分点。因此二极管30与相关的第一主表面22理想地齐平、稍微超过第一主表面或稍微后缩。二极管30，更精确的说是其第一接触表面300，以导电方式连接到第一凹陷22的第一基底220，特别地通过烧结、焊接或键合连接的方式。
从第二主表面24开始——在这里以及另外的说明中是较高的主表面——从第一凹陷22侧向偏移地设置有第二凹陷26。第二功率半导体元件32，这里为第二功率二极管，设置在该第二凹陷26中，类似于第一凹陷22。
如所示出的，薄绝缘层40、42设置在除用于外部连接的区域外的整个第一和第二主表面20、24上。该绝缘层40、42的材料优选为根据现有技术的通常的印刷电路板基底材料，例如环氧树脂或酚醛树脂，且此外其填充各自的凹陷22、26的自由体积区域并还完全覆盖分别设置在该凹陷22、26内的功率半导体元件30、32。绝缘层40、42的材料还可全部或部分地覆盖金属模铸体2的至少一个侧表面，如这里所示。
第一导电表面60，其在这种情况下形成连接导体，更精确地是在负电位处的DC电压连接，设置在第一绝缘层40的一部分上，因此与金属模铸体2电绝缘。由于该第一导电表面60电连接到第一功率半导体元件30的第二接触表面302，第一通路50被设置在第一绝缘层40中间。以示例的方式，这些通路采用激光钻孔通过第一导电表面和第一绝缘层并随后在产生的孔中镀锌(galvanising)的方式加以制造。
为了第一导电表面60的外部电绝缘，进一步设置第一绝缘夹层70，使得其在此覆盖第一导电表面60和第一绝缘层40以及用于外部连接的部分区域。
第二导电表面62，其在这里形成连接导体，更精确地是在正电位处的DC电压连接，设置在第二绝缘层42的一部分上，因此与金属模铸体2电绝缘。由于该第二导电表面62电连接到第二功率半导体元件32的第二接触表面322，第二通路52设置在第二绝缘层42中间。这些通路和上面所描述一样地加以制造。
为了第二导电表面62的外部电绝缘，进一步设置第二绝缘夹层72，使得其在此覆盖第二导电表面62和第二绝缘层42以及用于外部连接的部分区域。
为了消散功率半导体元件30、32中的线路和开关损耗产生的热，在此在第一和第二绝缘层70、72上设置各自的冷却装置80、82，在每个情况下，冷却装置被构建为空气冷却装置，并且在每个情况下，冷却装置与相关的功率半导体元件30、32对准以及在所有的侧上超过功率半导体元件30、32。
这样是有利的，如果功率半导体装置1仅有一个，优选第二冷却装置82，那么特别地在功率半导体装置1的应用的上下文中，可选择参考图3的第一冷却装置80。
图2示出根据本发明的功率半导体装置1的第二实施例，功率半导体装置1是半桥逆变器电路形式，其中功率半导体元件30、32被设计作为场效应晶体管且每个具有补充接触表面310、330、控制接触表面。
采用实质上与图1中的相似的方式构建具有其凹陷22、26的金属模铸体2。然而，这里的金属模铸体2另外具有补充凹陷210，其从第一凹陷22的第一基底220到达第二主表面24且用绝缘层40、42的材料填充，并且其中构建有第一补充通路510，第一补充通路与金属模铸体2电绝缘。
该第一补充通路510将设置在朝向第一凹陷22的第一基底220一侧上的控制连接，并且因此第一功率半导体元件30的第一补充接触表面310连接到设置在第二主表面24上且借助于第二绝缘材料42与补充导电表面610电绝缘的第一补充导电表面610。
第二补充导电表面630以相同的方式设置在第二主表面24上且与第二主表面24电绝缘。借助于贯穿第二绝缘层42的第二补充通路530，该第二补充导电表面以导电方式连接到设置在功率半导体元件32远离第二凹陷26的第二基底260的一侧的控制连接，且由此形成第二功率半导体元件32的第二补充接触表面330。因此，该第一和第二补充导电表面610、630用来控制功率半导体装置的各自的功率半导体元件30、32。
在该实施例中，第一和第二绝缘层40、42简化为单一绝缘层，其此外还形成和所有通路的其他电位的电绝缘。
图3示出根据本发明的半桥逆变器电路形式的功率半导体装置1的第三实施例，其中，功率半导体元件30、32被构造为具有反并联功率二极管的功率晶体管，其中每个功率晶体管具有各自的补充接触表面310、330、控制接触表面，类似于根据图2的场效应晶体管。两个相互关联的功率半导体元件，即功率晶体管和反并联功率二极管，每个被设置在一个共同的凹陷中。
所有通路实质上采用与图1和图2下已经描述的方式相同的方式构建。
然而，与图1和2相对照，第一和第二绝缘层40、42以及绝缘夹层70、72实质上简化为由绝缘层材料组成的单个绝缘层。然而，优选地，该绝缘层不是用一个操作步骤形成而是由多个操作步骤顺序形成。以示例的方式，这里有用于形成通路和设置导电表面的各自的中间步骤。特别地，这里绝缘层还形成和所有通路的其他电位的电绝缘。优选地，绝缘层和通路或到导电表面的连接借助于用于印刷电路板制造中的当前技术形成，这些技术根据现有技术是常规的。
此外，出于清楚起见，以一定间隔示出第一和第二冷却装置80、82。这里，第二冷却装置82还是构建为空气冷却装置，其中其被设置为与功率半导体装置的所有电位电绝缘且基本上覆盖第二主表面24的区域。第一冷却装置80，其优选仅基于用途加以设置，被构建为液体冷却装置且相对于第一主表面20加以设置，并且与第一主表面20电绝缘。
图4示出根据本发明的单相整流器电路形式的功率半导体装置1的第四实施例，其中，第一和第二功率半导体元件30、32被设计为两个并联的功率二极管。这两个各自的功率二极管每个设置在共同的凹陷22、26中。这里，第一主表面20的第一凹陷22并非完全偏离第二主表面24的第二凹陷26。另外，金属模铸体2的实施例对应于根据图1的实施例。
第一和第二导电表面60、62的实施例，和具有第一和第二通路50、52的绝缘层一样，对应于根据图3的实施例。
图5示出根据本发明的功率半导体装置在第二主表面22方向上的平面图。也就是说，从下往上看，示出了第一导电表面60、第一功率半导体元件30、金属模铸体2、设置在第二凹陷220中的第二功率半导体元件32、第二导电表面62和第一和第二补充导电表面610、630。
因为清楚的原因，没有示出图3和4的意义上的第一凹陷和绝缘层，以及第一和第二冷却装置。
图6示出根据本发明的功率半导体装置1的第一实施例的改进的截面图。这里，金属模铸体2以这样的方式改进，使得其在内部具有用于冷却功率半导体元件30、32的空腔90。可替代地，空腔90也可部分是空气或液体冷却系统，且可具有用于该目的的冷却翼片或冷却棘爪(未示出)。由此获得的金属模铸体2的冷却的基本优点为，例如焊料的金属材料会影响到功率半导体元件30、32的热传输，且该传输期间的热阻比针对绝缘材料的低。
此外，针对第一或第二或两个冷却装置该空腔可与关联的补充冷却装置一起存在。由此，有效的冷却尤其归因于这样的事实，绝缘材料层的厚度和热阻被设计为在不忽略电可靠性的情况下尽可能地小。

Claims (12)

1.一种具有形成第一连接导体的金属模铸体(2)的封装的功率半导体装置(1)，
其中，从所述金属模铸体(2)的第一主表面(20)开始，形成具有第一基底(220)的第一凹陷(22)，第一功率半导体元件(30)被设置在所述第一凹陷(22)中，其中所述第一功率半导体元件(30)面向所述第一基底(220)的第一接触表面(300)以导电方式连接到所述基底(220)，
其中，从所述金属模铸体(2)的第二主表面(24)开始，形成具有第二基底(260)的第二凹陷(26)，第二功率半导体元件(32)被设置在所述第二凹陷(26)中，其中所述第二功率半导体元件(32)与所述第二基底(260)相关的第一接触表面(320)以导电方式连接到所述基底(260)，
其中，在两个主表面(20，24)上设置各自的绝缘材料层(40，42)，填充并完全覆盖至少各自的凹陷(22，26)，
其中，所述第一绝缘层(40)具有导电的第一通路(50)，其以导电方式将所述第一功率半导体元件(30)的第二接触表面(302)连接到设置在所述第一绝缘层(40)上的第一导电表面(60)，且其中所述第二绝缘层(42)具有导电的第二通路(52)，其以导电方式将所述第二功率半导体元件的第二接触表面连接到设置在所述第二绝缘层上的第二导电表面。
2.如权利要求1所述的功率半导体装置，
其中所述第一连接导体形成AC电压连接，且其中所述第一和第二导电表面(60，62)形成补充连接导体，所述补充连接导体形成DC电压连接。
3.如前述任意一个权利要求所述的功率半导体装置，
其中，至少一个导电表面(60，62)与相关联的冷却装置(80，82)热接触，所述冷却装置被设置在远离所述金属模铸体(2)的所述导电表面(60，62)的一侧上，且优选通过电绝缘夹层(70，72)与所述冷却装置绝缘。
4.如权利要求3所述的功率半导体装置，
其中，各自的绝缘层(40，42)和关联的绝缘夹层(70，72)简化为共同的绝缘层(400，420)。
5.如权利要求1所述的功率半导体装置，
其中，所述第一功率半导体元件(30)具有面向所述第一凹陷(22)的基底(220)且优选被构造为控制接触表面的第一补充接触表面(310)，并且其中与所述金属模铸体(2)电绝缘的第一补充通路(510)与所述第一补充接触表面(310)相关联，所述第一补充通路以导电方式将所述第一补充接触表面(310)连接到设置在所述第二绝缘层(42)上的第一补充导电表面(610)。
6.如权利要求6所述的功率半导体装置，
其中，所述第二功率半导体元件(32)具有远离所述第二凹陷(26)的基底(260)且优选被构造为控制接触表面的第二补充接触表面(330)，并且其中所述第二补充通路(530)与所述第二补充接触表面(330)相关联，所述第二补充通路以导电方式将所述第二补充接触表面(330)连接到设置在所述第二绝缘层(42)上的第二补充导电表面(630)。
7.如权利要求6所述的功率半导体装置，
其中，所述第二导电表面(62)、所述第一补充导电表面(610)和所述第二补充导电表面(630)由金属箔形成，所述金属箔被排列在内部且因此形成相互电绝缘的导电迹线。
8.如权利要求7所述的功率半导体装置，
其中，由绝缘材料箔在远离所述金属模铸体(2)的一侧上覆盖所述金属箔的导电迹线，且优选两个箔彼此粘附性地连接。
9.如权利要求所6述的功率半导体装置，
其中，所述第一和第二补充导电表面(610，630)被连接到用于控制所述功率半导体元件(30，32)的控制装置。
10.如权利要求1所述的功率半导体装置，
其中，所述金属模铸体(2)具有用于冷却所述功率半导体元件(30，32)的空腔(90)。
11.如权利要求10所述的功率半导体装置，
其中，所述空腔(90)形成热管的一部分。
12.如权利要求10所述的功率半导体装置，
其中，所述空腔(90)被设计用于液体或气体冷却剂流过其中。
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