CN110214371A - 包括石墨烯的半导体功率模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体功率模块，该半导体功率模块包括导电和导热基板(14)和半导体芯片(12)，并且其中第一石墨烯层(32)被放置在半导体芯片(12)和基板(14)之间，与基板(14)的第一侧面电接触和热接触。因此改进了半导体功率模块的冷却。

Description

包括石墨烯的半导体功率模块
技术领域
本发明涉及一种半导体功率模块。
背景技术
在高功率应用中，诸如在电力传输和分配系统中，通常以半导体芯片或管芯的形式的半导体部件被用于各种目的，诸如在直流电流与交流电流之间进行转换以及形成断路器。
由于所使用的高电压和高电流等级，所需的芯片数量较高。因此，通常将几个这样的芯片放置在半导体功率模块中，其中模块中的芯片可以被并联和/或串联连接。
半导体功率模块的示例可在EP 2544229、WO 2012/107482、US 6,426,561和US 9,099,567中找到。
因此，这样的应用中的电流等级可以是高的。在一些情况下，半导体部件也可以被频繁切换。总而言之，这些可能导致部件中的高功率损耗。
因此，冷却是半导体功率模块的重要方面。
发明内容
因此，本发明的一个目的是改进半导体功率模块中半导体芯片的冷却。
该目的通过包括导电和导热基板以及半导体芯片的半导体功率模块来实现，其中在半导体芯片和基板之间存在与基板的第一侧电接触和热接触的第一石墨烯层。
由于石墨烯具有优异的导热性，因此改进了半导体芯片的冷却。
根据第一变型，半导体功率模块还包括在基板的第二相对侧上的第二石墨烯层，该第二石墨烯层有助于改进冷却。
至少第一层石墨烯的厚度可以在1nm-10nm的范围内，优选在2nm-4nm的范围内。
根据另一变型，在芯片和第一石墨烯层之间可以存在具有低熔点的第一金属层，该第一金属层具有改进进入短路故障模式的可靠性的优点。
此外，第一金属层可以包括金属或金属合金层，该金属层可以是铝和/或银的。更特别地，合金可以是铝银合金或铝硅碳化物合金。
根据另一变型，第一金属层可以设置在芯片的第一侧上，并且具有低熔点的第二金属层可以设置在芯片的第二相对侧上，以便进一步增强进入短路故障模式的可靠性。
第一金属层和第二金属层的熔点可以在500℃-700℃的范围内。
根据另一变型，半导体功率模块可包括在第二金属层上方的顶部电极和上部基板。在这种情况下，基板可形成底部电极。
半导体芯片可以有利地是碳化硅芯片。基板又可以是钼。
根据另一变型，半导体功率模块可以包括多个附加半导体芯片，每个附加半导体芯片经由第一石墨烯层连接到基板。
附图说明
下面将参考附图对本发明进行描述，其中
图1示意性地示出了包括多个子模块的半导体功率模块，
图2示意性地示出了包括基板和多个半导体芯片的子模块，以及
图3示意性地示出了与一个芯片相关地被提供的子模块的一部分。
具体实施方式
本发明涉及用于例如在高压应用中(诸如在电力传输或配电系统中)使用的半导体芯片或管芯的半导体功率模块。
在这样的模块中，在将芯片并联或串联连接的结构中提供了多个半导体芯片。
在半导体功率模块领域，诸如碳化硅(SiC)半导体的宽带隙半导体现在被认为是用于电力传输和分配系统中的各种各样的功率电子应用的最受欢迎的候选。因此，它提供了用于各种半导体器件的主要的硅(Si)材料对应物的潜在替换，上述各种半导体器件诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、集成栅极换向晶闸管(IGCT)等，主要因为更高的场强(即，是Si的十倍)，更宽的带隙(是Si的三倍)、更高的热导率(是Si的三倍)和更高的载流子速度(是Si的两倍)。在电力传输和分配系统中的各种功率转换器拓扑中使用的早先的功率电子构件块主要限于基于Si的功率开关，诸如(IGBT)和(IGCT)。从电力系统设计观点来看，实现降低的功率损耗、提供更高的功率密度、促进紧凑的转换器设计、更低的环境影响以及同时带来更低的整体系统成本的半导体芯片将被认为是用于非常高功率应用的关键技术辅助。考虑到这些关键的性能指标，依照选择的半导体技术找到好的解决方案，更好地满足由特定拓扑给出的要求，并且转换器构建块设计的标准化在产品开发中呈现出一个进步。
最近，高功率电子设备的趋势引起了增加的需求，在一方面提高功率转换器的效率，并同时地在另一方面减小功率电子构件块的覆盖区。因此，更好的热管理是实现该目的的先决条件，特别是当具有高阻断电压的多个功率芯片被并行地放置以实现高电流能力时。由于管芯自身的更密集的封装，这还导致IGBT管芯以及功率模块的更高的功率损耗密度。另一方面，IGBT的开关频率和额定电压值的增加还导致在管芯层的更高的功率损耗。因此，在连续操作下的松弛冷却要求是关键的。不合格的冷却能力可以限制设备性能。
因此，在操作中，这样的半导体芯片可以承载高电流，并且有时可能频繁被切换并且因此产生大量的热。这使得冷却是重要的。
此外，对于在模块化多电平转换器(MMC)中使用的功率模块，例如在高压直流(HVDC)应用中，开关设备(即，Si-IGBT)应当在短路故障模式(SCFM)条件下承载负载电流一段时间直到下一次维护。因此，必须形成和保证通过故障模块的非常稳定的短路条件，直到系统被维修为止。该SCFM模式对于功率模块设计具有重要的结果，因为单个故障芯片及它的接触系统应当占据高达至少1500A(相位-rms)的整个模块电流，其中rms表示均方根。
在功率模块中，可靠的短路通常通过使用具有低熔点的金属层来获得，诸如放置在芯片上方的铝银(Al-Ag)合金。当存在短路时，由于短时间内的高引发能量，该金属层熔化并与芯片的硅形成合金。因此，该层与Si管芯形成低电阻稳定合金。注意，像银和铝的金属通常是优选的，因为它们与下面的硅管芯形成低熔点共熔合金。
然而，如果在半导体功率模块中使用SiC半导体芯片，则由于SiC材料的熔点高于Si-对应物的熔点，所以MMC中的开关设备在SCFM条件下的操作可能变得不可预测，并且因此短路集电极-发射极的稳定合金形成可能是有问题的。
因此，可靠的短路也是重要的。
本发明的方面针对上述两个领域，即改进冷却领域和改进SFCM模式的可靠性领域，特别是关于SiC芯片。
半导体功率模块可以包括功率模块，该功率模块包括一个或多个子模块，其中这样的子模块可以彼此串联和/或并联电连接。包括六个子模块11的半导体功率模块10在图1中示出。应当认识到，功率模块可以包括比所示出的功率模块更多或更少的子模块。
半导体功率模块10的示例子模块11在图2中被示意性地示出。
在子模块n中，存在基板14，该基板14由诸如钼的金属制成并且被内框架30和外框架31包围，其中框架可以由塑料材料制成。在该基板14上放置多个半导体芯片12。在该示例中，存在设置在两行的六个芯片。在该图中，仅示出了具有三个芯片的一行。此外，基板14的面向芯片12的第一侧被第一材料部分18覆盖，其中基板14的第二相对侧被第二材料部分20覆盖。此外，每个芯片12经由对应的第三材料部分22、通常由铜制成的电流旁路元件24和弹簧26连接到上板16。这里，也可以是铜制的上板16向下按压在电流旁路元件24的上部上，并且经由弹簧26偏置到旁路元件24的下部，以便确保芯片12和上板16之间经由第三材料部分22的电流接触以及芯片12和基板14之间经由第一材料部分18的电流接触。
这里可以提到的是，图2中所示的结构仅仅是实现子模块的一种方式，并且芯片可以彼此串联或并联电连接。
图3更详细地示出了用于半导体芯片12中的一个半导体芯片的图2中的子模块11的结构的相关部分。
在这种情况下，芯片12下方的第一材料部分18包括与基板14的第一侧电接触和热接触的第一石墨烯层32，其中石墨烯层32有利地是1nm-10nm厚，并且优选地是2nm-4nm厚。第一材料部分18还包括在第一石墨烯层32的上方的和芯片12下方的具有低熔点的第一金属层34，其中该熔点可以在500℃-700℃的范围内。放置在石墨烯层32的上方的该层34可以是基于铝或银的层，或者它可以是基于铝或银的合金，诸如铝银合金或铝碳化硅合金。因此，该层可以是Al或Al-Ag合金或AlSiC或具有高导热率和高导电率的并且具有低熔点(例如<700或650)的任何其它合适的金属合金。第一金属层34的热导率可以高于1.5W/cm-K并且有利地是在1.5W/cm-K-4.5W/cm-K的范围内，其中在使用Al的情况下热导率可以是2.0W/cm-K，在使用Ag的情况下，热导率可以是4.2W/cm-K，以及在使用AlSiC的情况下，热导率可以在1.8W/cm-K-2.1W/cm-K的范围内。
第二材料部分20进而包括与基板14的第二侧电接触和热接触的第二石墨烯层，该层有利地是1nm-10nm厚，并且优选地是2nm-4nm厚。
此外，第三材料部分22包括在芯片12的上方的具有低熔点(诸如铝或铝银合金)的第二金属层36、在层36的上方的具有高熔点和良好传导率(诸如钼)的层38的形式的上基板、以及在层36上方的芯片端子触头材料40，其中芯片端子触头40可以是例如铜的发射极侧触头。由此，基板14也可形成集电极侧触头。这里应当认识到，存在可以实现第三材料部分22的其它方式。第二金属层36的热导率可以高于1.5W/cm-K并且有利地是在1.5W/cm-K-4.5W/cm-K的范围内，其中在使用Al的情况下热导率可以是2.0W/cm-K，在使用Ag的情况下，热导率可以是4.2W/cm-K，以及在使用AlSiC的情况下，热导率可以在1.8W/cm-K-2.1W/cm-K的范围内。
最后，半导体芯片在该实施例中是碳化硅芯片，该碳化硅芯片具有在2400K范围的高熔点。
在SiC芯片中损耗的功率可以是高的。提供具有优异的导热性质的两个石墨烯层20和32，以消散这样的热，并且因此改进芯片12的正常连续操作中的热管理。
因此，石墨烯的薄层20和32被插入围绕钼底板14，钼底板14从而夹在石墨烯层20和32之间。在下面的表I中示出了2D(二维)石墨烯与其他传统半导体材料的比较评估，如可以看到的，石墨烯与诸如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)之类的其他半导体相比具有优异的电学和热学性质。
表I
这些石墨烯性质总结如下：
□极其薄的材料片，同时仍然非常坚固(比钢坚固5倍并且轻得多)，
□石墨烯是半金属或零带隙半导体，
□极好的导热体(甚至远远优于SiC、铜、金刚石等)，
□在大的光谱带之上比ITO更透明(即，铟锡氧化物，使用在光伏、触摸屏显示器中)，以及
□金属或半导体衬底上的易于生长/可制造性。通过多种技术的生长机制是广为接受的。
具有低熔点的第一金属层34和第二金属层36的目的是获得短路故障模式。具有低熔点的第一金属层34和第二金属层36两者将在短路期间熔化并且与半导体芯片12形成导电合金。
由于在芯片的两侧上存在两个这样的金属层，所以短路比只有一个这样的金属层的情况下更可靠。
SiC芯片通常比传统的Si-IGBT管芯薄。类似地，上部/下部金属36和34(例如，Al、Ag和AlSiC的热膨胀系数(CTE)分别为19、23、7.5)与SiC芯片(即，CTE为2.7)的CTE的大的差异，与由于高电流密度和高温而产生的热量的组合可能损坏芯片表面并因此引起短路条件。注意，AlSiC(具有63％体积的SiC)的熔点为557℃-613℃，并且热导率保持在1.7W/cm-K-2.1W/cm-K周围。
因此，已引入了两个新的特征。
1：具有低熔点和高的导热性和导电性的合适的金属和/或金属合金的新的层34在SiC芯片下面。一旦SiC芯片失效，这将有助于获得稳定的短路形成(SCFM)。
2：在钼底板14周围的一个或两个石墨烯材料的薄层20和32，用于功率模块的改进的冷却以及更好的热管理。
由于第一层石墨烯具有高电导率和高热导率，所以很明显进入SCFM模式的可靠性不是危害的。因此获得改进的冷却，同时保持短路时进入SCFM模式的可靠性。
以类似的方式，第一金属层具有足够高的热导率以在芯片的冷却方面帮助石墨烯层，同时其安全地进入SCFM模式的能力不受影响。
如上所述，该芯片有利地是SiC芯片。然而，应当认识到，该芯片也可以是任何上述半导体材料的另一类型的芯片，诸如例如Si芯片。
此外，半导体芯片有利地被实现为开关，诸如像IGBT或MOSFET晶体管那样的晶体管或诸如IGCT之类的晶闸管。
根据前面的讨论，明显的，本发明可以以多种方式变化。
因此，应当认识到，本发明仅由所附权利要求限定。

Claims (15)

1.一种半导体功率模块(10)，包括导电和导热基板(14)以及半导体芯片(12)，其特征在于，在所述半导体芯片(12)与所述基板(14)之间的第一石墨烯层(32)，其中所述层(32)与所述基板(14)的第一侧电接触和热接触。
2.根据权利要求1所述的半导体功率模块(10)，还包括在所述基板(14)的第二相对侧上的第二石墨烯层(20)。
3.根据权利要求1或2所述的半导体功率模块(10)，其中，至少所述第一石墨烯层(32)的厚度在1nm-10nm的范围内，并且优选地在2nm-4nm的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，还包括在所述芯片(12)与所述第一石墨烯层(32)之间具有低熔点的第一金属层(34)。
5.根据权利要求4所述的半导体功率模块(10)，其中，所述熔点在500℃-700℃的范围内。
6.根据权利要求4或5所述的半导体功率模块(10)，其中，所述第一金属层34具有高于1.5W/cm-K的热导率。
7.根据权利要求6所述的半导体功率模块(10)，其中，所述热导率在1.5W/cm-K-4.5W/cm-K的范围内。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一金属层包括金属层或金属合金层。
9.根据权利要求8所述的半导体功率模块(10)，其中，所述层包括铝和/或银。
10.根据权利要求8或9所述的半导体功率模块(10)，其中，所述合金是铝银合金或铝碳化硅合金。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一金属层(34)设置在所述芯片(12)的第一侧上，并且还包括在所述芯片(12)的第二相对侧上具有低熔点的第二金属层(36)。
12.根据权利要求11所述的半导体功率模块(10)，还包括在所述第二金属层(36)的顶部上的顶部电极(40)和上部基板(38)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中，所述半导体芯片(12)是碳化硅芯片。
14.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述基板(14)是钼的。
15.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块，还包括多个附加半导体芯片，每个附加半导体芯片经由所述第一石墨烯层(32)连接到所述基板(14)。
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