CN110140210B - 具有降低的易故障性的功率模块和其应用 - Google Patents

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Abstract

说明一种具有降低的易故障性的功率模块。通过耗散的能量产生的热由功能结构经由热桥导出到载体衬底的下侧。为了降低热阻，功能元件位于所述载体衬底中的凹槽中。

Description

具有降低的易故障性的功率模块和其应用
技术领域
本发明涉及一种自身的易故障性被降低的功率模块，并且本发明涉及所述模块的应用。
背景技术
越来越多的电部件和电子部件应用在电设备中。相应地，其复杂性增大并且因此使故障可能性的数目增大。附加地，微型化趋势进一步持续，由此使得用于实现电功能和电子功能的结构空间变得越来越小。
电功能和电子功能通常通过电模块来实现。一个模块一般在载体衬底上汇总多个电部件，例如芯片。这样的模块例如由出版文献US 2009/0129079 A1和US 2008/0151547A1已知。
功率模块、例如用于机动车中的道路照明（远光灯、近光灯）的发光装置与仅仅处理电信号的系统相比以高电功率而出众。相应地，余热也是进行信号处理的模块的余热的多倍。
已知的功率模块中的一个问题是易故障性和效率的热限制。
发明内容
因此，存在对具有降低的易故障性、更高的功率稳定性、和更高的效率的功率模块的期望，所述功率模块遵循持续的微型化趋势并且能够实现更小的尺寸。
所述任务通过根据独立权利要求1的功率模块来解决。从属权利要求说明本发明的有利的构型。
功率模块包括载体衬底，所述载体衬底具有介电层和金属化层。此外，所述载体衬底具有凹槽。附加地，所述功率模块包括电功能元件。在载体衬底的金属化层中结构化电线路。所述功能元件与所述电线路接线。此外，所述功能元件布置在所述载体衬底中的凹槽中并且具有热桥，所述热桥具有比所述载体衬底更高的导热性。
所述凹槽在此可以是穿过载体衬底的开口，从而该凹槽是从载体衬底的两侧可接近的。替代地，凹槽也可以是以盲孔形式的凹部，所述凹部不穿透载体衬底。凹槽于是仅仅是从载体衬底的上侧可接近的。在后一种情况下，凹槽具有下侧，所述下侧通过载体衬底的表面形成。
除了所述一个介电层和所述一个金属化层之外，载体衬底可以具有一个或多个其他的介电层以及一个或多个其他的金属化层。这些介电层将这些金属化层分离。在这些金属化层中可以结构化电结构，例如信号线路、功率线路、电路元件，例如电容式的、电感式的或电阻式的元件。
功能元件是电的功率元件或电子的功率元件，其在运行中转换（umsetzen）相对高的电功率并且耗散相应大量的能量。功能元件因此是运行期间的热源。作为功能元件尤其考虑具有用于高功率LED（LED = Light Emitting Diode = 发光二极管）的结构的元件。
除了作为热源起作用并且将电能量部分地转化为热的结构之外附加地，所述功能元件具有自身的热桥，所述热桥具有高的导热性。与在载体衬底上的芯片中具有热源的常规的功率模块相比，通过凹槽中的布置，减少载体衬底上的如下材料，其中热必须通过所述材料导出。通过附加地存在热桥，双重降低功能元件中的耗散能量的结构的热负荷，其中所述热桥通过比载体衬底更高的导热性进一步改善热的导出。
以下温度范围是非常宽的：机动车应用在所述温度范围中。尤其是在日行灯情况下，从经改善的热导出而获益，其中所述日行灯不仅仅应用在较冷的黑暗中而且所述日行灯通常基于具有掺杂的半导体材料的LED。半导体器件的老化是具有指数式温度相关性的热力学过程。热负荷的明显降低因此可以使相应器件的使用寿命倍增并且减小易故障性。
通过在凹槽中布置功能元件，附加地减小模块的结构高度。
反常地（paradoxerweise），易故障性的降低因此恰恰基于结构体积的缩小。
总体上，因此说明一种功率模块，所述功率模块良好地适合于高功率的功率器件，例如热敏感的功率半导体。易故障性被降低。温度波动基于通常更低的温度水平而被降低。通过经改善的热导出，提高功率稳定性并且可以在更高的功率的情况下运行相应的电部件。凹槽中的功能元件可以与凹槽的侧壁机械固定地连接，从而尽管有原则上威胁衬底的机械稳定性的凹槽，仍然获得机械上鲁棒的模块。尺寸、尤其是结构高度被减小。通过更小尺寸的可能性，在设计相应的模块时的自由度数量被提高，这又为了用于使模块的可加工性变得容易的措施留出空间。
此外已经认识到，也可以如此构造热桥，使得获得用于相对于过压来对模块进行保护的结构，由此，不仅仅相对于热引起的故障的易故障性、而且相对于有危险的电脉冲的易故障性被降低。
因此，相应地可能的是，热桥设置用于，将在运行期间产生的热、例如耗散的电能量导出到所述功率模块的下侧。
功率模块可以固定在装配板上，所产生的热可以通过所述装配板容易地导出到模块的周围环境。
可能的是，所述热桥包括陶瓷材料。
陶瓷材料在此可以是介电材料，所述介电材料使功能元件的功率结构相对于功能元件的周围环境隔离并且仍然能够实现到功率模块的下侧上的良好的热连接。
可能的是，所述热桥包括以下材料或由以下材料组成：所述材料选自ZnO-Bi（以铋掺杂的氧化锌）、ZnO-Pr（以镨掺杂的氧化锌）、AlN（氮化铝）、Al2O3、SiC（碳化硅）。
载体衬底可以包括其余材料，所述其余材料用于PCB（PCB = Printed CircuitBoard（印刷电路板））。载体衬底可以例如是多层式FR4衬底。替代地，载体衬底也可以是IMS衬底（IMS=绝缘金属衬底）。已知的载体衬底的热传导性基本上限于8W/mK或更小。掺杂铋的氧化锌具有20W/mK或更大的热传导性。以镨掺杂的氧化锌具有40W/mK或更大的热传导性。氮化铝具有100W/mK或更大的热传导性。也就是说，与经减小的尺寸（必须通过所述尺寸导出热）一起，可以使热连接改善一个或更多个数量级。
可能的是，所述热桥包括多层式结构。所述多层式结构可以具有介电层和金属化层。除了该介电层附加地，热桥可以具有其他多个介电层。除了该金属化层附加地，热桥可以具有其他多个金属化层。
在多层式结构的这些层中可以实现电功能。优选地，介电材料和这些金属化层的材料如此选择，使得通过整个热桥提供最佳的热导出。
可能的是，所述热桥包括ESD保护元件（ESD = Electro-Static Discharge（静电放电））。
ESD保护元件在此可以保护功能元件的功能结构免受有害的电压脉冲。
为此可能的是，热桥包括压敏电阻。
热桥为此可以包括多层式结构，在所述多层式结构中，上下相叠地布置的并且由介电材料所分离的第一电极被结构化。在第一电极之间，在其他多个金属化层中，与第一电极分离的第二电极面被结构化。
以压敏陶瓷形式的介电材料在此具有如下电阻，该电阻取决于在电极上施加的电压。不期望的过电压脉冲可以由此容易地输出到保护电位，例如接地电位，而介电材料在功能元件的一般的运行电压情况下是绝缘体。
功率模块除功能元件之外还可以具有其他的具有相同的或类似的结构的附加功能元件，所述附加功能元件同样可以布置在凹槽中或附加的凹槽中。通过这样的布置，获得高的集成度。集成度和因此集成的功能元件的数目越高，则失效概率（Ausfallwahrscheinlichkeit）就越高。不期望的是，功率模块基于单个功能元件的失效而可能变得不能用。通过如上面描述的ESD保护的可能性，因此可以获得具有转换高功率的多个功能元件的高度集成的器件并且失效概率仍然可以减小到最小值。
可能的是，功能元件包括功能结构，能够激励所述功能结构发出光。
功能结构在此优选布置在功能元件的上侧上，而热桥将功能结构热连接到功能元件的下侧上，例如功率模块的下侧上。能够被激励发出光的结构尤其可以是基于半导体材料的LED结构，因为这样的半导体结构相对于过热是特别敏感的。
可能的是，所述载体衬底和/或所述功能元件具有竖直的通孔，所谓的过孔（Vias）。竖直的通孔在此对不同的金属化层接线或对不同金属化层中所结构化的电路元件接线。这样的通孔能够实现：将功率模块的全部的电接头布置在唯一的一侧，例如下侧上。相应地也可能的是，功能元件在其下侧上具有所有到载体衬底的电连接。于是，功能元件在凹槽中布置在载体衬底的一个层上并且经由结构化的线路接线。
在介电层之间具有整面地构造的多个金属化层的已知的IMS衬底不允许这样的接触，因为在竖直方向上相应实施的通孔会通过大面积地构造的金属层短接。在载体衬底的上侧和下侧之间的接触在这样的已知的衬底中因此是不可能的。
可能的是，在载体衬底的电线路和功能元件之间的电连接关于热膨胀方面被补偿。
尽管功能元件的功能结构到功率模块的下侧上的经改善的热连接，可能在功率模块内出现温度差异。功率模块中的不同材料通常具有不同热膨胀系数，因此，模块中温度梯度的形成在无其他措施情况下导致热引起的机械应力。
对不同热膨胀的补偿由此引起机械应力的降低并且由此引起在载体衬底和功能元件之间的电连接位置上的机械负荷的降低。除了通过功能元件的热负荷降低所引起的经降低的易故障性以及通过保护免受不期望的电脉冲所引起的易故障性降低之外，因此也降低相对于衬底和功能单元之间的连接位置的机械损坏的易故障性。
热膨胀的补偿的一种优选的可能性在于，对于在功能元件的下侧上的导电结构和在凹槽的上侧上的导电结构使用相同的材料。
在此，尤其优选以下材料：所述材料显示出各向同性的热膨胀行为并且所述材料的膨胀系数张量仅仅具有以下对角元素：所述对角元素不等于零并且是相同的。
因此可能的是，在功能元件的下侧上以及在载体衬底上侧上在凹槽中并且针对于连接、例如凸点连接，在其之间仅仅使用铜或仅仅使用银。
此外可能的是，功率模块包括温度缓冲器（Temperaturpuffer）。功能元件可以在竖直方向上与凹槽的下侧或者在水平方向上与凹槽的侧壁间隔开，其中所述下侧通过载体衬底的在那的局部的上侧形成。相应地，存在在功能元件旁的竖直的间隙或者在功能元件和凹槽的“底部”之间的水平的间隙。该间隙可以通过温度缓冲器的材料来填满。在水平方向上，功能元件可以具有第一系数。在水平方向上，载体衬底可以具有与第一系数不同的第二温度膨胀系数。在温度变化的情况下，功能元件的和凹槽的宽度不同程度地改变。相应地，间隙变得更大或更小。温度缓冲器优选地具有以下温度膨胀系数：所述温度膨胀系数基本上相应于间隙的以计算的方式能够容易确定的“温度膨胀系数”。也就是说，通过温度缓冲器，在每个温度下和在温度变化的情况下存在在载体衬底和功能元件之间的形状配合的连接，由此提高功率模块的机械稳定性。尤其可能的是，间隙的温度膨胀系数和温度缓冲器的温度膨胀系数相差5ppm/K或更小。
可能的是，功率模块包括用于操控功能元件的驱动电路。驱动电路在此可以布置在载体衬底上或载体衬底上方或者集成在载体衬底中。驱动电路也可以布置在功能元件上或者功能元件上方或者集成在功能元件中。
如果功率模块具有多于一个功能元件，则唯一的驱动电路可以操控多个或所有的功能元件。替代地也可能的是，对于每个功能元件设置自身的驱动电路；或者存在功能元件的不同组，并且针对每组功能元件设置各一个驱动电路。
可能的是，功率模块包括传感器。传感器可以布置在载体衬底上或载体衬底上方或者集成在载体衬底中。也可能的是，传感器布置在功能元件上或者功能元件上方或者集成在功能元件中。
传感器尤其可以是温度传感器，所述温度传感器观测功能元件的、载体衬底的或整个功率模块的始终当前的温度水平并且将温度值转发给驱动电路。
在驱动电路中可以集成电路逻辑装置，所述电路逻辑装置根据外部的控制信号以及根据传感器的所测量的值来调节或控制所述一个功能元件的或所述多个功能元件的活动。
可能的是，功率模块具有多个功能元件。这些功能元件可以以有规律的布置一同定位在该凹槽中或自身的凹槽中。功能元件在此尤其可以定位在行和列中，即矩阵布置中。
相应地可能的是，功率模块是LED矩阵模块。
可能的是，载体衬底的一个或多个介电层包括陶瓷材料或者由陶瓷材料组成或者包括有机材料或者由有机材料组成或者包括玻璃或者由玻璃组成。
作为陶瓷材料考虑例如AlN和Al2O3。作为有机材料考虑树脂。作为玻璃考虑通常的玻璃。
也可能的是，载体衬底中的介电材料是用于电路板、例如多层式电路板的标准材料，例如是FR4。
可能的是，所述功率模块应用作为发光装置，例如作为远光灯、近光灯或日行灯或作为行驶方向指示灯（闪光信号灯）。
附图说明
下面，根据示意图进一步阐述功率模块的功能原理和可能的实施方式的所选择的细节。其中：
图1示出功能元件在载体衬底中的凹槽中的位置，
图2示出具有功能结构和热桥的功能元件，
图3示出具有多层结构的热桥的实施方案，
图4示出功能元件在凹槽中的布置，所述凹槽完全穿透载体衬底，
图5示出功能元件的矩阵布置的俯视图，
图6示出多个功能元件共同在唯一的凹槽中的布置，
图7示出具有多个并排布置的功能结构并且具有热桥中的ESD保护的功能元件，
图8示出具有传感器的功率模块，
图9示出具有驱动电路的功率模块。
具体实施方式
图1示出功率模块LM的原理结构，所述功率模块具有载体衬底TS，所述载体衬底具有多个层。其中尤其包括介电层DL和金属化层ML，其中所述介电层由绝缘材料组成，在所述金属化层中可以形成电结构。在载体衬底TS中具有凹槽AN，在所述凹槽中布置功能元件FE。在图1中示出的凹槽具有所谓的盲孔（Sackloch）的形状，也即凹槽具有底部。功能元件FE位于凹槽的底部上。在具有在仅仅在一个方向上敞开的凹槽AN的功率模块LM的情况下，凹槽AN朝其敞开的一侧是上侧OS。相对置侧是下侧US。
功能元件FE通过电接触部EK与电线路EL接线，其中所述电线路例如在金属化层中形成。
在功能元件FE中、尤其在功能元件FE的上侧上所形成的热以小的阻力穿透该功能元件FE。为了使所述热可以经由功率模块LM的下侧US向外部的周围环境发出，在盲孔作为凹槽AN的情况下，可以相比在功能元件FE不是布置在凹槽中而是布置在载体衬底的上侧OS上的情况下克服更少量的载体衬底的材料。
相应地也优选的是，载体衬底TS的在凹槽AN的区域中的局部厚度相比局部地没有凹槽的区域中更小。
图2示出以下布置：在所述布置中，功能元件FE具有两个上下相叠地布置的区域。具有以下功能结构FS的区段形成上面区域：所述功能结构例如实现电功能或电子功能或光学功能。在其之下布置热桥WB，所述热桥将在上面的区段中产生的热引导到功能元件FE的下侧上和因此引导到功率模块的下侧上。
为了简化热到功率模块的下侧上的传递，热桥WB经由热耦合部TA与凹槽的底部连接。通过热耦合部TA降低热阻，其中所述热耦合部例如通过导电膏或金属化部形成。热耦合部TA在此优选地包括具有低热阻的材料，例如铜或银。
在功率模块的下侧上可以设置连接焊盘AP，所述连接焊盘例如通过UBM（UBM =Under-Bump Metallization （凸点下金属化层））形成。通过这样的连接焊盘可以将功率模块经由凸点连接BU来与外部的周围环境连接和接线。图3示出功率模块的细节，其中，热桥WB具有多层结构。在其中上下相叠地布置介电层和金属化层。当相应地选择介电层的材料时，这样的结构良好地导热。这样的热桥WB除了导出热之外附加地可以提供电的或电的功能（elektrische oder elektrische Funktion）。因此可能的是，在金属化层中形成电极。电极通过介电材料在竖直方向上相互分离。在竖直方向上相邻的电极被分配给不同的接头。如果介电材料是压敏陶瓷，则这两个不同的接头关于低的电压方面相互隔离。如果在这两个不同的接头上施加高的电压，例如ESD脉冲，则压敏陶瓷显示出降低的电阻并且ESD脉冲可以被导出到参考电位。
热桥WB具有竖直的通孔DK（Vias（过孔）），功能结构FS通过该通孔在功能元件的上侧上与载体衬底的结构化的金属化部接线。
在多层式实施的载体衬底中也具有通孔DK，所述通孔将电路元件或不同的金属化层的线路相互连接。通过通孔DK可能的是，功率模块的所有的外部接头布置在功率模块的一侧上，这使得到外部的电路周围环境中的集成变得容易。
功能元件FE的多层结构具有附加的重新布线UV，以便简化功能结构在热桥WB上的接头接触部上的电接触。
在水平方向上，功能元件FE与凹槽的侧壁间隔开。该体积通过温度缓冲器TP的材料来填充，所述温度缓冲器具有以下温度膨胀系数：所述温度膨胀系数如此选择，使得缓冲器TP的增加或减小等于间隙宽度的增加或减小。
图4示出功率模块的形式，其中，载体衬底的凹槽完全地并且在基面的整个区域中穿透载体衬底。为了最大地降低功率模块的总高度，功能元件完全地嵌入载体衬底中。为了简化到外部的周围环境中的集成并且尤其为了简化向下方的放热，功能元件FE的下侧、尤其功能元件的热桥WB和载体衬底的下侧US齐平地对准，从而获得整个功率模块的基本上平滑的下侧。
功能元件的下侧上的电接触部于是可以从功率模块的下侧突出。替代地也可能的是，功能元件FE仅仅以如此程度嵌入到载体衬底中，使得载体衬底的下侧与电接触部EK的下侧齐平。
图5示出矩阵布置MA的俯视图，在所述俯视图中，多个功能元件FE在行和列中定向。
图6图解以下可能性：设置唯一的凹槽并且将多个功能元件FE布置在该凹槽中。功能元件FE中的每一个可以包括热桥，所述热桥具有多层式结构和在热桥之上的功能结构。
载体衬底的最上层可以是镜SP，所述镜反射光。如果功能结构是光源，则在较少光由载体衬底的在其他情况下无源的上侧吸收的情况下，功率模块的所辐射的光的总量被提高。
图7示出以下可能性：在唯一的功能元件FE中设置多个功能结构FS。功能元件FE的热桥具有多层式结构并且提供ESD保护功能，其中所述多层式结构具有压敏材料。
图8示出以下可能性：将传感器直接布置在功能元件FE的上侧上。替代地，传感器也可以布置在功能元件的多层结构中或者载体衬底上或载体衬底中。
因此，图9示出以下可能性：将传感器S布置在载体衬底的多层结构的内部。相反，在功能元件FE上布置驱动电路TSG，以便操控功能结构并且控制或调节所述功能结构的工作方式。驱动电路TSG在此同样可以包含电功率器件或电子功率器件。在这种情况下，在热桥上的布置是优选的。
功率模块和功率模块的应用不受所描述的技术特征和所示出的细节限制。具有附加的电路元件、附加的接头和附加的凹槽的功率模块同样被包含在保护范围中。
附图标记列表
AN：凹槽
AP：连接焊盘
BU：凸点连接
DK：通孔
DL：介电层
EK：电接触部
EL：电线路
ESD：ESD保护
FE：功能元件
FS：功能结构
LM：功率模块
MA：矩阵布置
ML：金属化层
OS：上侧
S：传感器
TA：热耦合部
TP：温度缓冲器
TS：载体衬底
TSG：驱动电路
US：下侧
UV：重新布线
VAR：压敏电阻
WB：热桥。

Claims (16)

1.一种功率模块(LM)，所述功率模块包括：
载体衬底(TS)，所述载体衬底具有介电层(DL)、金属化层(ML)和凹槽(AN)；
电功能元件(FE)；
其中，在所述金属化层(ML)中结构化电线路(EL)，
所述电功能元件(FE)与所述电线路(EL)接线，
所述电功能元件(FE)布置在所述凹槽(AN)中，以及
所述电功能元件(FE)包括热桥(WB)，所述热桥具有比所述载体衬底(TS)更高的导热性，
其中所述热桥(WB)包括压敏电阻，
其中所述热桥具有多层结构，其中在垂直方向上上下相叠地布置介电层和金属化层，其中所述介电层由压敏陶瓷组成。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，所述热桥(WB)设置用于，将在运行期间产生的热导出到所述功率模块(LM)的下侧(US)。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，所述热桥(WB)包括陶瓷材料。
4.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，所述热桥(WB)包括以下材料或由以下材料组成：所述材料选自：ZnO-Bi、ZnO-Pr、AlN、Al2O3、SiC。
5.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，所述热桥(WB)包括ESD保护元件。
6.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，所述电功能元件(FE)包括功能结构(FS)，其中能够激励所述功能结构发出光。
7.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，所述载体衬底(TS)和/或所述电功能元件(FE)具有竖直的通孔(DK)。
8.根据权利要求1或2的功率模块，其中，在所述电线路(EL)和所述电功能元件(FE)之间的电连接关于热膨胀方面被补偿。
9.根据权利要求8所述的功率模块，其中，在所述电功能元件(FE)的下侧上的导电结构和在所述凹槽(AU)的上侧上的导电结构由相同材料组成。
10.根据权利要求1或2所述的功率模块，所述功率模块还包括以温度缓冲器(TP)填充的间隙，所述温度缓冲器具有与所述间隙相同的温度膨胀系数。
11.根据权利要求1或2所述的功率模块，所述功率模块还包括用于操控所述电功能元件(FE)的驱动电路(TS)，所述驱动电路布置在所述载体衬底(TS)上或所述载体衬底(TS)中或者布置在所述电功能元件(FE)上或所述电功能元件(FE)中。
12.根据权利要求1或2所述的功率模块，所述功率模块还包括传感器(S)，所述传感器布置在所述载体衬底(TS)上或者所述载体衬底(TS)中或布置在所述电功能元件(FE)上或所述电功能元件(FE)中。
13.根据权利要求1或2所述的功率模块，所述功率模块包括多个电功能元件(FE)，所述电功能元件以有规律的布置定位在所述凹槽(AN)中。
14.根据权利要求1或2所述的功率模块，所述功率模块是LED矩阵模块。
15.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，所述介电层(DL)
-包括陶瓷材料或者由陶瓷材料组成；或者
-包括有机材料或者由有机材料组成；或者
-包括玻璃或者由玻璃组成。
16.一种根据权利要求1至15中任一项所述的功率模块(LM)的应用，所述功率模块作为发光装置应用在车辆中。
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