CN111081664B - 具有用于热性能的相变材料的半导体器件的封装 - Google Patents

Abstract

一种半导体器件包括大致平面的半导体芯片。半导体芯片包括第一侧和与第一侧相反的第二侧。第一侧与源极导电焊盘相关联。第二侧与漏极导电焊盘相关联。栅极焊盘覆盖第一侧的一部分。源极端子包括金属带组件，该金属带组件具有彼此间隔开并部分地填充有相变材料填充物的一系列凹穴腔室。漏极端子经由介电层与该源极端子间隔开。源极端子经由键合界面材料结合至源极导电焊盘。

Description

具有用于热性能的相变材料的半导体器件的封装

技术领域

本公开涉及一种具有用于热性能的相变材料的半导体器件的封装。

背景技术

在某些现有技术中，半导体器件，例如绝缘栅、双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(CMOS)以及碳化硅(SiC)晶体管，具有会限制性能的热约束。对于车辆应用，例如越野车辆或重型设备，半导体器件可以被包括到功率电子模块中，例如具有重负载循环和/或要求高热耗散的瞬时负载的逆变器或变换器。因此，需要使电子模块紧凑，符合目标功率密度，并且与通过发动机冷却剂循环进行的冷却兼容，该发动机冷却剂与车辆上的内燃机相关联。

发明内容

根据本发明的一个方面，半导体装置包括大体平面的半导体芯片。半导体芯片包括第一侧和与第一侧相反的第二侧。第一侧与源极导电焊盘相关联。第二侧与漏极导电焊盘相关联。栅极焊盘覆盖第一侧的一部分。源极端子包括金属带组件，该金属带组件具有彼此间隔开并部分地填充有相变材料填充物的一系列凹穴腔室。漏极端子通过介电层与该源极端子间隔开。源极端子经由键合界面材料结合至源极导电焊盘。

附图说明

图1A是半导体芯片例如场效应晶体管的一个实施例的截面图。

图1B是半导体芯片例如场效应晶体管的另一个实施例的截面图。

图2是含有图1A(或图1B)的半导体芯片的半导体器件和具有用于增强热性能的相变材料的相关联封装的实施例的截面图。

图3是含有图1A(或图1B)的两个半导体芯片的半导体器件模块的一个实施例在组装期间的横截面分解图。

图4是含有两个半导体芯片的图3的半导体器件模块在组装之后的截面图。

图5是进一步包括外部散热座的图4的半导体器件的截面图。

图6是图3的半导体器件模块在组装期间的替代实施例的截面图。

图7是图6的半导体器件在组装之后的截面图。

图8是进一步包括外部散热座的图7的半导体器件的截面图。

在两个或更多个附图的任何组中，相同的附图标记表示相同的元件或特征。

具体实施方式

根据图1A中所公开的本发明的一个方面，半导体装置(图2中的11)包含大体平面的半导体芯片10。半导体芯片10包括第一侧25和与第一侧25相反的第二侧26。第一侧25与呈金属层或金属合金层的源极金属化层或源极导电焊盘58相关联。第二侧26与呈金属层或金属合金层的漏极金属化层或漏极导电焊盘59相关联。栅极焊盘24覆盖第一侧25的一部分或栅电极70，用于在诸如硅半导体衬底(例如，对于碳化硅半导体来说)的衬底68的沟道区63中施加电场。金属层可以通过电沉积、无电沉积、金属化、直接结合铜工艺或其它半导体制造工艺形成。例如，直接结合铜工艺允许铜金属层或铜金属合金随后结合到碳化硅衬底、漏极区62和/或源极区60上的一个或多个界面层，例如氧化铝、氮化铝或碳化铝。

半导体衬底68具有在源极导电焊盘58下方的源极区60。源极表面64可以在第一侧25上暴露。类似地，半导体衬底68具有漏极区62，并且漏极导电焊盘59覆盖在漏极区62上。漏极表面66可以暴露在第二侧26上。在一个实施例中，源极区60和漏极区62可以形成在半导体衬底68中的可选掺杂n阱69内(例如，以便支持互补金属氧化物半导体(CMOS)的制造)，其中在图1A和图1B中用虚线指示可选n阱69。栅极焊盘24具有栅电极70，该栅电极70延伸以提供或控制在源极区60和漏极区62之间的区域或沟道区63中的电场。例如，栅极焊盘24或栅电极70附接到半导体芯片10的栅极金属化层。

在图1A中，键合互连材料136覆盖源极导电焊盘58，以便于源极导电焊盘58与源极端子或源极端子组件133的电互连和机械互连，如图2所示。类似地，键合互连材料136覆盖漏极导电焊盘59，以便于漏极导电焊盘59与漏极端子或漏极端子组件132的电互连和机械互连，如图2所示。在半导体器件10的制造或组装期间，漏极端子组件132的表面可以用未固化的键合互连材料136(例如，粘合剂，诸如环氧树脂，和金属颗粒以形成导电膜)涂覆或处理，以用于将半导体芯片10的漏极表面66电连接和/或粘合地结合到图1A和图2中的漏极端子。

在一个实施例中，键合互连材料136或粘合互连材料包括导电粘合剂，例如具有金属或金属填料(例如，银或其它金属或金属合金颗粒)的粘合剂基质。此外，键合互连材料136可以具有合适的导热性，以将由半导体芯片10产生的热能传递到源极端子(例如，源极端子组件133)和漏极端子(例如，漏极端子组件132)，或者与源极端子相关联的散热座(heat sink)(上散热座152或下散热座252)、与漏极端子相关联的散热座(中心散热座52)，或者这两者。

在替代实施例中，省略了键合互连材料136；源极导电焊盘58直接结合至源极端子组件133；漏极导电焊盘59直接结合到漏极端子组件132，其中源极导电焊盘58、漏极导电焊盘59、源极端子组件133、以及漏极端子组件132由铜或铜合金组成，所述铜或铜合金可以在施加适当的热或适当的热和压力组合的情况下，在具有或不具有锌涂层或锌界面层的情况下，被熔合或铜焊在一起。

在图2中，漏极端子组件132通过介电层或介电填充物(未示出)与源极端子组件133隔开。源极端子组件133在图1A和图2中经由键合互连材料136或导电粘合剂被共同地结合或电连接到源极导电焊盘58。漏极端子组件132在图1A和图2中通过键合互连材料136或导电粘合剂被共同地结合或电连接到漏极导电焊盘59。

图1A中所示的半导体芯片10的实施例类似于图1B中所示的半导体芯片110的不同实施例，除了图1B的半导体芯片110具有覆盖内部导电焊盘(158,159；例如，主导电焊盘或金属化层)的一组或一个阵列的外部导电焊盘(20,22；例如，二级导电焊盘)，其中外部导电焊盘(20,22)具有适于经由焊料、用铜或铜合金强化的焊料或另一键合界面材料36焊接、铜焊或形成到源极端子组件133和漏极端子组件132的电连接和机械连接的厚度。外部导电焊盘(20,22)通常比内部导电焊盘(158,159)或金属化层更厚，并且在焊盘的行或列之间具有间隙，以允许焊料材料或键合界面材料36在回流工艺或炉中的加热或烘烤期间或在另一焊接工艺中附带地流入间隙中。源极内部导电焊盘158覆盖源极区60；漏极内部导电焊盘159覆盖漏极区62。接着，源极外部导电焊盘20覆盖源极内部导电焊盘158；漏极外部导电焊盘22覆盖漏极内部导电焊盘159。

在图1B中，可以通过电沉积、无电沉积、金属化、直接结合铜工艺或其它半导体制造工艺来形成覆盖内部导电焊盘(158,159；例如，主导电焊盘或金属化层)的外部导电焊盘(20,22；例如，二级导电焊盘)。例如，直接结合铜工艺允许铜金属层或铜金属合金随后结合到碳化硅衬底、漏极区62和/或源极区60上的一个或多个界面层，例如氧化铝、氮化铝或碳化铝。

在图1B和图2中，共同地，源极端子组件133和漏极端子组件132与外部导电焊盘或二级导电焊盘，例如源极外部导电焊盘20和漏极外部导电焊盘22，相关联或结合。外部导电焊盘，例如源极外部导电焊盘20，可以用键合界面材料36(例如，无铅焊料、具有铜或焊膏的焊料)涂覆或处理，以将半导体芯片10的源极外部导电焊盘20连接到源极端子组件133。外部导电焊盘，例如漏极外部导电焊盘22，可以用键合界面材料36(例如，无铅焊料、具有铜的焊料或焊膏)涂覆或处理，以将半导体芯片10的漏极外部导电焊盘22连接到漏极端子组件132。在一种配置中，键合界面材料36由焊料或由无铅焊料(例如，锡铋或锡银)和铜的组合构成。

在图1B和图2中，源极端子组件133经由键合界面材料36或焊料被共同结合到组合的源极导电焊盘(158,20)。在图1B和图2中，漏极端子组件132通过接合界面材料36或焊料被共同地结合到组合的漏极导电焊盘(159,22)。

在一个替代实施例中，省略了键合界面材料36；源极导电焊盘158(或源极外部导电焊盘20)直接结合至源极端子组件133；漏极导电焊盘159(或漏极外部导电焊盘22)直接结合到漏极端子组件132，其中源极导电焊盘158(或源极外部导电焊盘20)、漏极导电焊盘159(或漏极外部导电焊盘22)、源极端子组件133、以及漏极端子组件132由铜或铜合金组成，所述铜或铜合金可以在施加适当的热或适当的热与压力组合的情况下，在具有或不具有锌涂层或锌界面层的情况下，被熔合或铜焊在一起。

在图1B和图2中，共同地，源极端子组件133和漏极端子组件132(例如，载流电源端)分别机械地和电气地连接到成组的源极外部导电焊盘20和成组的漏极外部导电焊盘22。漏极外部导电焊盘22被布线或布置为与漏极内部导电焊盘159并联连接部；源极外部导电焊盘20被布线或布置为与源极内部导电焊盘158并联连接部。同时，一个或多个控制端子被结合到栅极焊盘24或一组栅极焊盘。可选地，附加的控制端子耦合到源极焊盘或开尔文源极焊盘。漏极端子与源极端子作为电源端子，所述电源端子可在电源端子之间切换输出电流。

在任一实施例中，例如图1A、图1B和图2中，半导体芯片(10或110)可以包括碳化硅(SiC)的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在图1A或图1B中，示出了SiC功率MOSFET芯片或芯片组的代表性示例。图1A或图1B示出了单个MOSFET芯片的简化图示，而SiC功率模块可以由通常并联连接的MOSFET芯片组或CMOSFET组成。

在图2中，在一个实施例中，源极端子组件133包括源极内部部分48、源极外部部分49和将源极内部部分48与源极外部部分49互连的源极茎部部分42。源极内部部分48具有内平面表面71，用于：(1)经由键合互连材料136附接到源极导电焊盘58，或(2)经由键合界面材料36附接到源极外部导电焊盘20。同时，源极外部部分49具有外平面表面73，用于通过介电层(例如，图5中的131)或介电热界面材料附接到散热座(例如，图5中的上散热座152)。

在一个实施例中，源极端子组件133包括金属带组件，该金属带组件具有一系列彼此间隔开的凹穴(28,228)或腔室，并且部分地填充有相变材料30或制冷剂填充物。例如，凹穴28可位于源极内部部分48、源极外部部分49和源极茎部部分42中，且凹穴(28,228)可部分地填充有相变材料30或制冷剂填充物。在一种构造中，冷却剂或相变材料30可包括任何市场上可买到的制冷剂，例如R-22或R-235及其变型。

在半导体器件的操作期间，一个或多个半导体芯片(10或110)产生传导到漏极端子组件132和源极端子组件133的热能。在每个端子组件(132,133)中，一个或多个凹穴(28,128,228,328)内的制冷剂蒸发并从液相变为气相，同时吸收和耗散热能(例如，由一个或多个半导体芯片10或110产生的热能)。当相变材料30的气相冷却(通常在凹穴(28,128,228,328)的上部)时，相变材料30的气相冷凝为液相，并且通过重力，向凹穴(28,128,228,328)的下部滴下、运动或流动。在液相中，相变材料30可用于或准备通过另一相变循环从蒸发转变到冷凝，然后返回到蒸发，作为吸收或耗散热能(例如，由一个或多个半导体芯片10或110产生的热能)的重复过程。

在图2中，在一个实施例中，漏极端子组件132包括漏极内部部分51、漏极外部部分50和将漏极内部部分51与漏极外部部分50互连的漏极茎部部分53(例如，在半导体芯片10或110的任一侧上的一对茎部)。漏极内部部分51具有内平面表面，用于：(1)通过键合互连材料136附接到漏极导电焊盘59，或(2)通过键合界面材料36附接到漏极外部导电焊盘22。漏极端子组件132在漏极外部部分50中具有开口54或体积，并且源极茎部部分42延伸通过开口54，并且通过空间分离或介电绝缘物与开口54和漏极端子组件132电隔离。半导体芯片(10或110)位于在漏极内部部分51和源极内部部分48之间且由漏极内部部分51和源极内部部分48限定的体积中。在一个实施例中，半导体芯片具有半导体衬底68或沟道区63，当半导体芯片(10或110)处于开路或非导电模式时，半导体衬底68或沟道区63将源极端子组件与漏极端子组件电分离和隔离，这可以取决于晶体管被配置为在耗尽模式还是增强模式下操作。

在一个实施例中，漏极端子组件132还包括金属带组件，该金属带组件具有彼此间隔开并且部分地填充有相变材料30或制冷剂填充物的一系列凹穴128或腔室。在一种构造中，漏极端子组件132的一系列凹穴128或腔室是大致椭圆形或是大致球形的，并且其中，相变材料30或制冷剂填充物包括制冷剂，例如市场上可买到的用于汽车空调系统或越野车辆的空调系统的制冷剂。

与源极端子组件133相似，漏极端子组件132包含金属带组件，该金属带组件具有一系列彼此间隔开且部分地填充有相变材料30填充物的凹穴(128,328)或腔室。在一种构造中，漏极端子组件132的一系列凹穴(128,328)或腔室是大致椭圆形或大致球形的，并且其中相变材料30或填充物包括冷却剂。

具有部分地填充有相变材料30填充物的凹穴(28,228)的源极端子组件133以及具有部分地填充有相变材料30填充物的凹穴(128,328)的漏极端子组件132可以通过附加的制造技术或通过三维打印来制造。相变材料30用作热冲击吸收件，以抑制否则将发生的半导体器件(11或111)的瞬态热变化或冲击。相变材料30将半导体器件(11或111)的晶体管结(例如碳化硅晶体管结)温度保持在窄范围内，而半导体器件(11或11)或含有半导体器件(11或111)的逆变器上的负载变化很大。因此，半导体器件(11或111)的封装支持在与逆变器或功率电子模块相关联的苛刻环境中半导体器件(11或111)及其电互连部(例如，端子)的寿命，所述逆变器或功率电子模块由与内燃机相关联的发动机冷却剂冷却。

如图2所示，在一个实施例中，中心散热座52经由热界面材料的介电层31与漏极端子组件132(例如，漏极内部部分51的漏极内平面表面)热连通。例如，热界面材料可包括介电强度等于或大于约10千伏/厘米(kV/cm)的热界面层、膜或片。在一个实施例中，中心散热座52可以由铜或铜合金形成，并且可以(经由热界面材料的介电层31)直接结合到漏极端子组件132，以消除陶瓷衬底(其通常在一些封装上支撑漏极端子)并且改善半导体器件11的封装的热性能。例如，中心散热座52可以是由铜复合物构成的附加制造的基板，冷却通道56以结合线为中心，其中铜复合物减小了漏极端子组件132(由铜或铜合金构成)和中心散热座52(由铜、铜合金和铜复合物构成)之间的热膨胀系数的任何差异。

在一个替代实施例中，中心散热座52由介电材料例如陶瓷、聚合物、塑料、合成物、纤维填充聚合物或纤维填充塑料构成。因此，如果中心散热座52由介电材料构成，则在中心散热座52和漏极端子组件132之间可以去除介电层31、热界面层、膜或片。

在图2中，中心散热座52包括具有用于保持或循环冷却剂的通道56的基板。在中心散热座52中，通道56包括一组平行的通道56或迂回通道56，它们与冷却剂的入口(未示出)和出口(未示出)液压连通。尽管中心散热座52的通道56被图示为大致矩形的横截面，但是通道56可以具有大致椭圆形、卵形、圆形或其它横截面形状。冷却剂的入口或出口可连接到内燃机(例如越野车辆或重型设备的内燃机)的散热座或与内燃机的散热器液压连通。此外，冷却剂可以包括乙二醇-水混合物或其他防冻冷却剂。

图2具有用于半导体芯片10或半导体器件11的封装，其与没有中心散热座52和没有在半导体芯片10或半导体器件11的一个或多个导电端子(例如由金属或金属合金构成的源极端子组件133和漏极端子组件132)中填充相变材料30的其它可能封装相比，非常适于更高的热负载和热耗散。

在一个实施例中，源极端子组件133或金属带组件包括源极内部部分48(例如，内部源极部分)、源极外部部分49(例如，外部源极部分)和源极茎部部分42。源极内部部分48、源极外部部分49和源极茎部部分42代表源极端子组件133的(多个)部分。源极外部部分49或源极外部区段与源极内部部分48间隔开且大致平行于源极内部部分48。导电的垂直延伸的源极茎部部分42或区段在源极内部部分48和源极外部部分49之间延伸。

在一种配置中，垂直延伸的源极茎部部分42或源极茎部区段穿过漏极端子组件132中的开口54，并且与漏极端子组件132电隔离(例如，通过源极茎部部分42和漏极端子组件132中的开口54之间的空间分离，或者通过介电密封剂、介电层31或介电填充物)。

在另一构造中，源极茎部部分42或台阶部分的每个包括金属带，该金属带具有部分地填充有相变材料30或制冷剂填充物的一个或多个凹穴228或腔室。例如，凹穴228可为大致球形、半球形或具有椭圆形、长方形或卵形横截面，其中长轴线在源极茎部部分42内垂直定向。

在一个实施例中，漏极端子组件132或金属带组件包括通过漏极茎部部分53互连的漏极内部部分51和漏极外部部分50。漏极外部部分50与漏极内部部分51间隔开，并基本上平行于漏极内部部分51。漏极内部部分51、漏极外部部分50和漏极茎部部分53代表了漏极端子组件132的(多个)部分。导电的垂直延伸的漏极茎部部分53在漏极内部部分51(或内部漏极部分)与漏极外部部分50(或外部漏极部分)之间延伸。漏极茎部部分53的每个可包括具有部分地填充有相变材料30或制冷剂填充物的一个或多个凹穴328或腔室的金属带。例如，凹穴328可为大致球形、半球形或具有椭圆形、长方形或卵形横截面，其中长轴线在漏极茎部部分53内垂直定向。

如图2所示，漏极和源极端子组件(132,133)被附接到半导体器件11(例如，SiCMOSFET芯片组)，并且所得到的封装准备与中心散热座52结合。漏极和源极端子(132,133)可以通过附加的制造工艺例如通过三维打印制造。漏极和源极端子(132,133)可以通过导电粘合剂或另一键合互连材料136直接或间接地耦合或结合到半导体芯片10或半导体晶粒的漏极导电焊盘(59,159)和源极导电焊盘(58,158)，其中导电粘合剂可以通过附加的制造工艺例如通过三维打印制造。

漏极和源极端子(132,133)中的凹穴(28,128,228,328)或腔室填充有相变材料(PCM或PCM片)，其中相变材料30可以在附加的制造工艺期间填充在凹穴(28,128,228,328)中。或者，在附加的制造过程之后，通过填充通道将相变材料30充注、加压或注射到凹穴(28,128,228,328)中，所述填充通道随后被塞住(例如，用帽、塞、填充物或密封剂)或封闭，同时将相变材料30保持在凹穴(28,128,228,328)中。当适当地填充有PCM时，漏极和源极端子(132,133)起到类似瞬态热抑制器的作用。因此，在极端的电负载条件下，半导体芯片10或半导体晶粒往往仅经历其晶体管结温度的边际变化。以这种方式，通过使用用于高电流漏极和源极端子以及填充有PCM的端子的附加的制造工艺，优化/增强了半导体芯片10的电和热性质以获得高可靠性。因此，具有封装的半导体器件(11或111)适合于需要极端振动、热冲击和大量温度/功率循环的应用。

在图3和图4中，示出了具有两个半导体芯片10(例如，两个晶体管)的半导体器件11模块，其中开关端子(例如，晶体管的漏极端子和源极端子串联耦合)。例如，半导体器件111可以包括逆变器的单相的高侧场效应晶体管和低侧场效应晶体管。图1A至图4中的相同参考标号(包括在内)表示相同的元件或特征。

在图3和图4中，大致平坦的第一半导体芯片10具有第一侧25(例如，外侧)和第二侧26(例如，与外侧相对的内侧)。第一侧25或外侧与第一源极导电焊盘(58或158)相关联。第二侧26或内侧与第一漏极导电焊盘(59或159)相关联。第一栅极焊盘24覆盖第一侧25或外侧的一部分。

第一源极端子组件133包括金属带组件，该金属带组件具有彼此间隔开且部分地填充有相变材料30或致冷剂填充物的一系列凹穴28或腔室。第一漏极端子组件132通过介电区域(在未被芯片10占据的组件133,132之间的空间区域、体积或空隙中)和第一半导体芯片10与第一源极端子133间隔开。第一源极端子组件133经由键合互连材料136或键合界面材料36(例如，用铜或铜合金强化的焊料)直接或间接地耦合或结合到第一源极导电焊盘(58,158)。

大体平坦的第二半导体芯片(10或110)包括第二侧26(例如，上侧)和第一侧25(例如，与外侧相对的内侧)。第二侧26或上侧与第二漏极导电焊盘(59或159)相关联。第一侧25或外侧与第二源极导电焊盘(58或158)相关联。第二栅极焊盘24覆盖第一侧25或外侧的一部分。

第二源极端子组件133包括金属带组件，该金属带组件具有彼此间隔开且部分地填充有相变材料30或致冷剂填充物的一系列凹穴(28,228)或腔室。第二漏极端子组件132通过第二介电区域(在未被芯片10或110占据的组件133,132之间的空间区域、体积或空隙中)和第二半导体芯片(10或110)与第二源极端子间隔开。第二源极端子组件133经由键合界面材料直接或间接地耦合或结合到第二源极导电焊盘(58,158)。

在一种构造中，第一漏极端子组件132还包括金属带组件，该金属带组件具有彼此间隔开并部分地填充有相变材料30或制冷剂填充物的一系列凹穴(128,328)或腔室；第二漏极端子组件132还包括金属带组件，该金属带组件具有彼此间隔开并部分地填充有相变材料30或制冷剂填充物的一系列凹穴(128,328)或腔室。

在一个实施例中，半导体器件模块11包括在第一半导体芯片10和第二半导体芯片(10或110)之间的中间散热座或中心散热座52。中间散热座或中心散热座52经由诸如热界面材料的第一介电层31与第一漏极端子组件132热连通。中心散热座52经由例如热界面材料的第二介电层31与第二漏极端子组件132热连通。在一种构造中，中心散热座52包括具有用于保持或循环冷却剂的通道56的基板，例如占据基板的大部分宽度的一组基本平行的通道。

图3描绘了如何将双侧冷却的高侧和低侧半导体芯片(10,110)或晶体管(例如，碳化硅MOSFET)并入到半导体器件111的封装中。在一个实施例中，图3中所示的冷却剂通道56被配置为中心散热座52的第一部分91(下部)和第二部分93(上部)中的通道56或对准的凹槽，其中通道56或对准的凹槽可被称为开放凹坑微型通道56(OPMC)。第一部分91具有第一配合部分，第二部分具有与第一配合部分接合或互锁的第二配合部分。如图3所示，第一部分91的第一配合部分在一侧具有左突起72，在另一侧具有右槽74；第二部分93的第二配合部分具有左槽74和右突起72；左突起72接合并面向左槽74，右突起72接合并面向右槽74，以用于互锁密封。在一个实施例中，第一部分和第二部分的第一配合部分和第二配合部分分别接合以形成气密密封或密封部，该气密密封或密封部可以承受目标冷却剂压力和温度，例如在大约115摄氏度的冷却剂温度下大约60磅每平方英寸(psi)。

如果中心散热座52中的通道56或凹槽不是由介电材料或耐腐蚀塑料或聚合物构成，则通道56的内表面可以被涂覆或镀层以防止腐蚀。通道56的防腐镀层防止了否则会由流过通道56的高温和高压冷却剂流引起的任何劣化。通道56的防腐镀层确保冷却系统持续提供快速排热能力，并且可以提供由发热半导体芯片组(10,110)中产生的开关和传导损耗产生的排热路径。

图4示出了半导体器件111中的高侧和低侧半导体芯片(10,110)，其中中心散热座52的第一部分91和第二部分93被联合和接合，使得通道56被密封以防止任何冷却剂/流体(例如，乙二醇水)泄漏到外部环境。冷却剂通道56与入口和出口液压连通，以支持来自车辆的冷却系统的冷却剂的循环，所述冷却系统例如是散热器、冷却剂泵和软管或导管。

如图4所示，用于高侧和低侧半导体芯片(10,110)或晶粒的交流(AC)总线端子95或AC母线被结合在一起以形成极低电阻的电连接，例如小于大约5微欧姆的接触电阻。在交流端子95处，半导体芯片(10，110)的电连接通过导电粘合剂结合在一起，该导电粘合剂相对于接合的交流端子具有低的热膨胀系数差异，该接合的交流端子可以具有互锁表面75、互锁波纹表面、大致凹槽表面或锯齿表面。

由高侧和低侧AC总线端子95形成的低电阻电连接确保在峰值负载下，半导体器件111的封装不会在封装中的高侧和低侧半导体芯片(10,110)或晶体管之间的电接口处产生任何过多的热。低电阻电接触确保所提出的功率模块不会发生过早的热劣化，并且确保了电互连的长期可靠性。

在图5中，半导体器件111模块还包括在第一半导体芯片10上方的上散热座152，其中上散热座152与第一源极端子组件133的源极外部部分49热连通。上散热座152可以通过介电层131(例如，介电热界面材料层)与第一源极端子组件133或第一源极端子组件133的源极外部部分49电隔离。

在一个替代实施例中，上散热座152由介电材料构成，例如陶瓷、聚合物、塑料、合成物、纤维填充聚合物或纤维填充塑料。

在一个示例中，上散热座152包括具有用于保持或循环冷却剂的通道56的基板。在上散热座152或下散热座252中，通道56包括与冷却剂的入口端口和出口端口液压连通的一组平行通道、迂回通道或流体路径。尽管上散热座52或下散热座252的通道56被图示为大致矩形的横截面，但是通道56可以具有大致椭圆形、卵形、圆形或其它横截面形状。冷却剂的入口端口或出口端口可连接到内燃机的散热器或与内燃机的散热器液压连通。此外，冷却剂可以包括乙二醇-水混合物或另一种防冻冷却剂。

类似地，在图5中，下散热座252设置在第二半导体芯片(10或110)下方，其中下散热座252与第二源极端子组件133的源极外部部分49热连通。例如，下散热座252包括具有用于保持或循环冷却剂的通道56的基板。下散热座252可以通过介电层131例如介电热界面材料层与第二源极端子组件133的下部部分或第二源极端子电隔离。

在一个替代实施例中，下散热座252由介电材料构成，例如陶瓷、聚合物、塑料、合成物、纤维填充聚合物或纤维填充塑料。

在一种配置中，正直流(DC)端子97在高侧漏极端子组件132处，负直流(DC)端子98在可以通过附加技术制造的低侧源极端子组件133处。同时，高侧源极端子组件133和低侧漏极端子组件132在交流输出端子处电连接和机械连接。高侧源极端子组件133和低侧漏极端子组件132可以通过附加的技术来制造，并且通过导电粘合剂结合在一起。半导体芯片(10或110)或晶粒与层叠的直流母线(用于高侧漏极端子组件132的正直流端子97和用于下侧源极端子组件133的负直流端子98)紧密地结合。直流母线(97,98)的布置支持最小的回路电感以实现更快的切换；因此，减少了在半导体晶片(10,110)或晶粒的关闭转变期间的能量损失。

如图5所示，封装的低侧源极端子组件133通过使用与低侧源极端子组件133相关联、热接触或连通的下散热座252而获得进一步的热释放，下散热座252例如经由介电层131(例如，介电热界面材料)耦合到低侧源极端子组件133。类似地，封装的高侧源极端子组件133通过使用与高侧源极端子133相关联、热接触或连通的上散热座152而获得进一步的热释放，上散热座152例如经由介电层131(例如，介电热界面材料)耦合到高侧源极端子133。如图5所示，高性能介电热界面材料(TIM)为低侧源极端子组件133和高侧源极端子组件133提供必要的电绝缘。TIM还提供了高的导热性，用于从半导体器件(10，110)的源极侧到下散热座252和上散热座152的快速热传递。

图6是图3的半导体器件211的替代实施例在组装期间的截面图。除了图6的替代实施例用替代的中心散热座352或中间散热座代替中心散热座52之外，图6的替代实施例类似于图3的实施例。在图6和图7中，中心散热座352或中间散热座还包括由第一构件81(下构件)和第二构件83(上构件)限定的中央腔室99(图7)，该中央腔室99具有经由壁172和槽174彼此接合或彼此互锁的侧面，具有或不具有可选的密封剂、弹性体密封件或焊盘圈。中心室99被配置成将一个或多个小通道冷却构件76连同在小通道冷却构件76内循环的任何冷却剂保持、保留或包含在上构件83与下构件81之间。上构件83和下构件81具有通道或凹槽，所述通道或凹槽邻近一个或多个小通道冷却构件76或与一个或多个小通道冷却构件76液压连通，并且其相应的小通道被嵌入在、被包括在或实现在小通道构件76的内部或其外部。例如，小通道可具有小于第一构件81和第二构件83内的通道56的横截面面积，其中小通道通常彼此平行且平行于离开或进入图8中的纸张平面的通道56的纵向轴线。此外，关于小通道冷却构件76、第一构件81和第二构件83，美国专利9,564,385在此通过参考被并入。

在一个实施例中，小通道冷却构件76包括歧管，该歧管基于半导体器件(10,110)的局部散热特性将冷却剂引导到上构件83或下构件81中的目标通道，并且与对应的半导体器件(10,110)配对。如果使用多个冷却构件76，例如上冷却构件和下冷却构件，则上冷却构件和下冷却构件可由分离件或分隔件分隔开。

为了管理半导体器件(111或211)及其封装中的热机械应力，在半导体芯片(10,110)或晶粒的漏极表面66上，漏极端子组件132可以使用作为高级焊接材料的顺应性纳米线材料结合到漏极焊盘(59,159,22)或漏极金属化层。

在一个实施例中，用于任何介电层(31，131)的热界面材料(TIM)包括具有高导热率的先进的粘合剂/键合材料。例如，TIM可包括膜或电绝缘层，以实现漏极端子组件132和中心散热座52、上散热座152或下散热座252之间的目标隔离(例如，5千伏/厘米)(例如，其中任何散热座可被配置为具有冷却剂通道56的铜或铜-合成物基板)。

半导体器件(111或211)或封装辐射或提供从发热半导体晶粒经由源极端子组件133到上散热座152和下散热座252的主要散热路径。同时，半导体器件(111或211)或封装辐射或提供从发热半导体晶粒经由漏极端子组件132到中心散热座52的二级散热路径。在半导体芯片10或晶粒与端子组件之间的界面处，TIM(例如薄膜绝缘片)在结合线处提供高的导热率，同时在半导体芯片10的高压部分与中心散热座52(漏极侧)及上散热座152(源极侧)和下散热座252(源极侧)之间实现了期望的绝缘。半导体器件11及其封装可以促进热性能、电性能，同时承受越野车辆所经历的极端振动和冲击。在一个替代实施例中，如图5和8所示的半导体器件(111或211)将进一步封装在加固外壳中。加固的外壳将提供用于冷却剂端口、电力端口和用于栅极驱动信号的端子的通路。

图7是图6的半导体器件211在组装之后的截面图。图6和图7中的相同参考标号指示相同元件或相同特征。

图8是图7的半导体器件211的截面图，其进一步包括外部散热座。在图8中，半导体器件211模块还包括在第一半导体芯片10上方的上散热座152，其中上散热座152与第一源极端子133的上部热连通。上散热座152可以通过介电层131或介电热界面材料层与第一源极端子组件133或第一源极端子组件133的源极外部部分49电隔离。

在一个替代实施例中，上散热座152由介电材料构成，例如陶瓷、聚合物、塑料、合成物、纤维填充聚合物或纤维填充塑料。

在一个示例中，上散热座152包括具有用于保持或循环冷却剂的通道56的基板。在上散热座152或下散热座252中，通道56包括与冷却剂的入口端口和出口端口液压连通的一组平行通道56或迂回通道56。尽管上散热座152或下散热座252的通道56被图示为大致矩形的横截面，但是通道56可以具有大致椭圆形、卵形、圆形或其它横截面形状。用于冷却剂的入口端口或出口端口可连接到内燃机的散热器或与内燃机的散热器液压连通。此外，冷却剂可以包括乙二醇-水混合物或其他防冻冷却剂。

类似地，在图8中，下散热座252设置在第二半导体芯片110下方，其中下散热座252与第二源极端子组件133的源极外部部分49热连通。例如，下散热座252包括具有用于保持或循环冷却剂的通道56的基板。下散热座252可以通过介电层131或介电热界面材料层与第二源极端子133或第二源极端子组件133的源极外部部分49电隔离。

在一个替代实施例中，下散热座252由介电材料构成，例如陶瓷、聚合物、塑料、合成物、纤维填充聚合物或纤维填充塑料。

具有用于改善热性能的相变材料30的半导体器件211的封装非常适用于等于或大于50千瓦并且由冷却剂冷却的逆变器模块，所述冷却剂例如是在内燃机冷却系统、散热器或热交换器中循环的乙二醇水冷却剂。该封装减少或最小化了半导体芯片(10或110)或半导体晶粒与一个或多个散热座内的冷却通道56之间的热障，所述散热座由基于水-乙二醇(WEG)的热交换冷却。

具有中空隔间或凹穴(28,128,228,328)或腔室的源极端子组件133和漏极端子组件132可以将传统封装的半导体功率模块的典型电感减小到小于其直流(DC)端子两端的大约10毫微亨(nH)。因此，半导体装置(11,111或211)的封装能够支持功率模块的改进的开关性能和开关速度，例如超过大约4kV/μs的开关速度。功率模块的较高的潜在开关速度可以导致例如在半导体器件(11,111或211)的关断事件期间的较低的能量损耗。

通常，如果开关半导体器件(11,111或211)被用在逆变器中以控制越野车辆或重型设备的驱动电机，则开关倾向于在关断事件期间产生能量损失。这里，半导体器件的封装便于从功率半导体芯片的发热区域快速移除热量，并且便于减少半导体晶粒与半导体封装的其它部分之间的过大温差，否则，由于半导体装置11的不同部分的不匹配热膨胀系数(CTE)，所述过大温差可能导致半导体装置11的故障或寿命缩短。例如，半导体晶粒通常在最高温度下工作，并且一个或多个散热座的通道56中的冷却剂(乙二醇的含水混合物)在最低温度下工作。

尽管在附图和前面的描述中详细描述了本公开，但是该描述应当被认为是示例性和说明性的，而不是对权利要求中所阐述的保护范围的限制。在本文档中已经示出和描述了各种说明性的实施例，使得在本公开的精神内的任何改变、变型和修改将落入本公开及其相关联的权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种半导体器件，包括：

大致平面的第一半导体芯片，所述第一半导体芯片包括第一侧和与第一侧相反的第二侧，第一侧与第一源极导电焊盘相关联，第二侧与第一漏极导电焊盘相关联，第一栅极焊盘覆盖所述第一侧的一部分；

第一源极端子，所述第一源极端子包括金属带组件，所述金属带组件具有彼此间隔开且部分地填充有相变材料填充物的一系列凹穴腔室；以及

第一漏极端子，所述第一漏极端子通过介电层与第一源极端子间隔开，并且

所述第一源极端子经由键合界面材料结合到第一源极导电焊盘，

其中，所述第一源极端子或金属带组件包括：

内部源极部分；

外部源极部分，所述外部源极部分与内部源极部分间隔开并且平行于内部源极部分；

多个导电的垂直延伸的源极茎部部分，所述源极茎部部分在内部源极部分和外部源极部分之间延伸，

其中，所述源极茎部部分中的每个包括金属带，该金属带具有部分地填充有相变材料填充物的一个或多个凹穴腔室。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一漏极端子还包括金属带组件，所述第一漏极端子的金属带组件具有彼此间隔开且部分地填充有相变材料填充物的一系列凹穴腔室。

3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述第一漏极端子的所述一系列凹穴腔室为大致椭圆形的或大致球形的，并且其中，所述相变材料填充物包括制冷剂。

4.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一源极端子的所述一系列凹穴腔室是大致椭圆形的或大致球形的，并且其中，所述相变材料填充物包括制冷剂。

5.根据权利要求2所述的半导体器件，还包括通过介电热界面材料与第一漏极端子热连通的散热座，其中所述散热座包括具有用于保持或循环冷却剂的通道的基板。

6.根据权利要求5所述的半导体器件，其中，所述通道包括具有大致矩形横截面的一组平行通道，所述一组平行通道与用于冷却剂的入口端口和出口端口液压连通。

7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一半导体芯片包括碳化硅的金属氧化物半导体场效应晶体管。

8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述键合界面材料由焊料构成或由焊料与铜的组合构成。

9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，垂直延伸的源极茎部部分穿过第一漏极端子中的开口，并且与第一漏极端子电隔离。

10.根据权利要求1所述的半导体器件，其中，所述第一漏极端子或金属带组件包括：

内部漏极部分；

外部漏极部分，所述外部漏极部分与内部漏极部分间隔开并且平行于内部漏极部分；

多个导电的垂直延伸的漏极茎部部分，所述漏极茎部部分在内部漏极部分与外部漏极部分之间延伸。

11.根据权利要求10所述的半导体器件，其中，所述漏极茎部部分中的每个包括金属带，该金属带具有部分地填充有相变材料填充物的一个或多个凹穴腔室。

12.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括：

大致平坦的第二半导体芯片，所述第二半导体芯片包括上侧和与上侧相对的下侧，所述上侧与第二源极导电焊盘相关联，所述下侧与第二漏极导电焊盘相关联；第二栅极焊盘覆盖所述上侧的一部分；

第二源极端子，所述第二源极端子包括具有彼此间隔开且部分地填充有相变材料填充物的一系列凹穴腔室的金属带组件；

第二漏极端子，所述第二漏极端子通过第二介电层与第二源极端子间隔开；并且

所述第二源极端子经由键合界面材料结合到第二源极导电焊盘。

13.根据权利要求12所述的半导体器件，其中，所述第一漏极端子还包括具有彼此间隔开并部分地填充有相变材料填充物的一系列凹穴腔室的金属带组件；第二漏极端子还包括具有彼此间隔开并部分地填充有相变材料填充物的一系列凹穴腔室的金属带组件。

14.根据权利要求12所述的半导体器件，还包括在所述第一半导体芯片与所述第二半导体芯片之间的中间散热座，所述中间散热座经由第一介电热界面材料与所述第一漏极端子热连通，所述中间散热座经由第二介电热界面材料与所述第二漏极端子热连通，其中所述中间散热座包括具有用于保持或循环冷却剂的通道的基板。

15.根据权利要求12所述的半导体器件，还包括在第一半导体芯片上方的上散热座，所述上散热座与第一源极端子的上部热连通，其中所述上散热座包括具有用于保持或循环冷却剂的通道的基板。

16.根据权利要求12所述的半导体器件，还包括在第二半导体芯片下方的下散热座，所述下散热座与第二源极端子的下部热连通，其中所述下散热座包括具有用于保持或循环冷却剂的通道的基板。