CN113257748A - 半导体器件组件与散热机构的集成 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“半导体器件组件与散热机构的集成”。在一般方面，电子设备组件可包括半导体器件组件，该半导体器件组件包括陶瓷衬底、设置在该陶瓷衬底的第一表面上的图案化金属层、以及设置在该图案化金属层上的半导体管芯。电子设备组件还可包括散热器具。陶瓷衬底的第二表面的陶瓷材料可直接接合到散热器具的表面。陶瓷衬底的第二表面可与陶瓷衬底的第一表面相反。

Description

半导体器件组件与散热机构的集成
技术领域
本说明书涉及半导体器件组件。更具体地讲，本说明书涉及包括与散热机构(例如，散热器(heat sink)、水夹套(water jacket)等)集成(例如，直接接合到其)的衬底的半导体器件组件(例如，半导体器件模块)。
背景技术
半导体器件组件，诸如包括功率半导体器件(其可被称为功率模块、多芯片功率模块等)的组件，可使用半导体管芯、衬底(例如，直接接合金属衬底、陶瓷衬底等)、焊线等来实现。此类半导体器件组件可与散热机构、器具、设备、装置等(例如，散热器、水夹套等)耦接，该散热机构、器具、设备、装置等可耗散在所包括的半导体器件(管芯)的操作期间生成的热量。
例如，在一些实施方式中，半导体器件组件可使用热界面材料(TIM)与相应的散热机构耦接，这可被称为间接冷却配置。在一些实施方式中，半导体器件组件可使用焊接或烧结材料与相应的散热机构耦接，这可被称为直接冷却配置。然而，此类方法具有某些缺点。例如，在间接冷却布置中用于TIM的材料可具有相对高的热阻(例如，与散热机构的热阻相比)，这可降低此类实施方式的整体冷却效率。此外，对于当前的直接冷却实施方式，在焊料或烧结层中可出现空隙。此类空隙可增加半导体器件组件衬底与相关联的散热机构之间的热阻(例如，与无空隙焊料或烧结层相比)，这可降低此类实施方式的整体冷却效率。
发明内容
在一般方面，电子设备组件可包括半导体器件组件和散热器具。半导体器件组件可包括陶瓷衬底、设置在陶瓷衬底的第一表面上的图案化金属层，以及设置在图案化金属层上的半导体管芯。在电子设备组件中，陶瓷衬底的第二表面的陶瓷材料可直接接合到散热器具的表面。陶瓷衬底的第二表面可与陶瓷衬底的第一表面相反。
在另一个一般方面，电子设备组件可包括第一半导体器件组件、第二半导体器件组件和散热器具。第一半导体器件组件可以包括第一陶瓷衬底、设置在第一陶瓷衬底的第一表面上的第一图案化金属层、以及设置在该第一图案化金属层上的第一半导体管芯。第二半导体器件组件可包括第二陶瓷衬底、设置在第二陶瓷衬底的第一表面上的第二图案化金属层，以及设置在第二图案化金属层上的第二半导体管芯。散热器具可以直接接合到第一陶瓷衬底的第二表面的陶瓷材料和第二陶瓷衬底的第二表面的陶瓷材料。第一陶瓷衬底的第二表面可以与第一陶瓷衬底的第一表面相反。第二陶瓷衬底的第二表面可以与第二陶瓷衬底的第一表面相反。
附图说明
图1是示意性地示出集成半导体器件组件和散热器具的侧视图的示意图。
图2A是示意性地示出图1的集成半导体器件组件和散热器具的实施方式的侧视图的示意图。
图2B是示意性地示出图1的集成半导体器件组件和散热器具的实施方式的侧视图的示意图。
图3A是示出水夹套的实施方式的等轴视图。
图3B是示出与半导体器件组件衬底集成之后的图3A的水夹套的等轴视图。
图4A是示出另一个水夹套的实施方式的等轴视图。
图4B是示出与半导体器件组件衬底集成之后的图4A的水夹套的等轴视图。
图5A-图5G是示意性地示出使用图3B的集成半导体器件组件衬底和水夹套的实施方式来制造半导体器件模块(例如，电子设备组件)的制造工艺的示意图。
图6A-图6F是示意性地示出使用图3B的集成衬底和水夹套的实施方式来制造半导体器件模块(例如，电子设备组件)的另一制造工艺的示意图。
图7A-图7G是示意性地示出使用图4B的集成半导体器件组件衬底和水夹套的实施方式来制造半导体器件模块(例如，电子设备组件)的制造工艺的示意图。
图8A-图8F是示意性地示出使用图4B的集成半导体器件组件衬底和水夹套的实施方式来制造半导体器件模块(例如，电子设备组件)的另一个制造工艺的示意图。
图9A-图9D是示出例如图7A-图7G的半导体器件模块(例如，电子设备组件)的实施方式的各个方面的示意图。
图10是示意性地示出直接接合的金属衬底的示意图。
图11是示意性地示出可包括图10的直接接合的金属衬底的集成半导体器件组件和散热器具的侧视图的示意图。
在未必按比例绘制的附图中，相似参考符号可指示不同视图中的相似和/或类似部件(元件、结构等)。附图大体上以举例而非限制的方式示出了本公开中所讨论的各种实施方式。在一个附图中示出的参考符号对于相关视图中的相同和/或相似元件可不重复。在多个图中重复的参考符号可不相对于这些图中的每个图具体地讨论，而是提供用于相关视图之间的上下文。另外，并非附图中的所有相似元件都在示出该元件的多个实例时用参考符号具体引用。
具体实施方式
本公开涉及可以用于实现例如功率半导体器件组件(诸如直接冷却的多芯片模块(MCM))的电子设备组件的实施方式。此类组件可以用于例如汽车应用、工业应用等。例如，本文所述的实施方式可以在诸如功率转换器、点火电路、功率晶体管对等的高功率模块中实现。
在本文所述的实施方式中，衬底(例如，陶瓷衬底、介电衬底等)和热传递机构、器具、设备、装置等(例如，水夹套、散热器等)可彼此集成。例如，衬底可直接接合到热传递机构。然后可使用集成衬底和散热器具来实现半导体器件组件(模块、电路等)。与当前的间接冷却方法(例如，使用热界面材料)相比，以及与诸如上文所述的当前的直接冷却方法(例如，使用焊料)相比，此类实施方式可改善散热性能(例如，减小结至散热器的热阻)。
图1是示意性地示出包括集成半导体器件组件和散热器具(机构、设备、装置等)的电子设备组件100(组件100)的侧视图的示意图。如图1所示，组件100包括散热器具110和与散热器具110集成的半导体器件组件。在该示例中，半导体组件可包括衬底120(例如，陶瓷衬底、介电衬底等)、图案化金属层130、以及设置在图案化金属层130上的第一半导体管芯140和第二半导体管芯150。
在图1的组件100中，图案化金属层130包括第一部分145(例如，与半导体管芯140相对应)和第二部分155(例如，与半导体管芯150相对应)。在一些实施方式中，半导体管芯140和150可设置在图案化金属层130的单个部分上，而不是单独的部分145和155上，如图1所示。组件100还可包括模塑料160，该模塑料包封半导体器件组件的元件(例如，衬底120、图案化金属层130以及半导体管芯140和150)。
在一些实施方式中，诸如在图1的示例性组件中，图案化金属层130以及半导体管芯140和150可设置在衬底120的第一侧(表面)上。衬底120的与衬底120的第一侧相反的第二侧可直接接合(direct-bonded)(例如，直接耦接、直接接合(directly bonded)等)到散热器具110。例如，衬底120的第二侧的陶瓷材料可直接接合到散热器具110。在一些实施方式中，可使用扩散接合将衬底120直接接合到散热器具110。例如，在一些实施方式中，钛(Ti)晶种层可用于促进(例如，催化等)衬底120与散热器具110之间的扩散接合。此类工艺可称为钛扩散(Ti扩散)接合。在一些实施方式中，Ti晶种层可沉积(溅射等)到衬底120的第二侧上和/或散热器具110上，并且Ti扩散接合可在大于900℃(C)(例如900-1000℃的范围内)的温度下并且在高压下(例如在7-10兆帕(MPa)的范围内)执行，这可导致来自衬底120和散热器具110的材料(例如，金属)在彼此之间扩散，以将衬底120直接接合到散热器具110。在一些实施方式中，可使用钎焊工艺将衬底120直接接合到散热器具110。
在组件100中，模塑料160可为环氧树脂模塑料、树脂模塑料、凝胶模塑料等。如上所述，模塑料160可包封组件100的元件(例如，设置在衬底120上的半导体器件组件的元件以及衬底120)。虽然在图1中未具体示出，但在一些实施方式中，组件100中可包括其他元件，诸如信号引脚、功率端子、输出端子、导电夹片、焊线等。包括在电子设备组件中的特定元件将取决于特定实施方式。
图2A是示意性地示出可实现图1的组件100(例如，集成半导体器件组件和散热器具)的电子设备组件200a的实施方式的侧视图的示意图。如图2A所示，组件200a包括水夹套(散热器具)210a和与水夹套210a集成的半导体器件组件。在该示例中，半导体组件可包括衬底220a(例如，陶瓷衬底)、设置在衬底220a上的图案化金属层230a、以及设置在图案化金属层230a上的第一半导体管芯240a和第二半导体管芯250a。虽然未在图2A中示出，但组件200a还可包括可包封半导体器件组件的元件的模塑料，诸如上文相对于图1所述以及下文进一步描述的。
在一些实施方式中，诸如在图2A的示例性组件200a中，图案化金属层230a以及半导体管芯240a和250a可设置在衬底220a的第一侧(例如，上表面)上。例如，半导体管芯240a可通过焊料245a(例如，焊料预成型件、焊料印刷物、导电环氧树脂或其他导电管芯附接材料)耦接到金属层230a。同样，半导体管芯250a可通过焊料255a(例如，焊料预成型件、焊料印刷物、导电环氧树脂或其他导电管芯附接材料)耦接到金属层230a。
在组件200a中，与衬底220a的第一侧相反的衬底220a的第二侧(下表面)直接接合(例如，直接耦接、直接接合等)到水夹套210a的外(外部)表面205a。例如，衬底220a的第二侧(例如，图2A中的下表面)的陶瓷材料可直接接合到外表面205a。在一些实施方式中，可使用上述方法(例如，扩散接合、Ti扩散接合、钎焊等)将衬底220a直接接合到水夹套210a的表面205a。
如图2A所示，水夹套210a包括限定为穿过其的流体通道217a。例如，在操作中，水(或其他冷却液体)可流过流体通道217a(例如，从入口到出口)，以便于耗散由半导体管芯240a和250a(以及任何其他发热部件)产生的热。如图2A所示，包括表面205a的水夹套210a的一部分可限定水夹套210a的流体通道217a的一部分(例如，上壁的至少一部分)。同样如图2A所示，水夹套210a包括设置在流体通道217a内的多个冷却片(cooling fin)215a(例如，销翅片)。在操作中，在流体通道217a中流动的水(或其他冷却流体)可流过冷却片215a，从而增加与冷却流体接触的水夹套210a的表面积(例如，与仅流体通道217a的周边(壁)相比，这可改善水夹套210a的散热效率)。
与图1的组件100一样，虽然在图2A中未具体示出，但在一些实施方式中，组件300中可包括其他元件，诸如信号引脚、功率端子、输出端子、导电夹片、焊线等。包括在电子设备组件中的特定元件将取决于特定实施方式。
图2B是示意性地示出还可实现图1的组件100(例如，集成半导体器件组件和散热器具)的电子设备组件200b的实施方式的侧视图的示意图。如图2B所示，组件200b包括水夹套(散热器具)210b和与水夹套210b集成的半导体器件组件。在该示例中，半导体组件可包括衬底220b(例如，陶瓷衬底)、设置在衬底220b上的图案化金属层230b，以及设置在图案化金属层230b上的第一半导体管芯240b和第二半导体管芯250b。虽然未在图2B中示出，但组件200b，与图2A的组件200a一样，还可包括可包封半导体器件组件的元件的模塑料，诸如上文相对于图1所述以及下文进一步描述的。
在一些实施方式中，诸如在图2A的示例性组件200b中，图案化金属层230b以及半导体管芯240b和250b可设置在衬底220b的第一侧(例如，上表面)上。例如，半导体管芯240b可通过焊料245b(例如，焊料预成型件、焊料印刷物、导电环氧树脂或其他导电管芯附接材料)耦接到金属层230b。同样，半导体管芯250b可通过焊料255b(例如，焊料预成型件、焊料印刷物、导电环氧树脂或其他导电管芯附接材料)耦接到金属层230b。
在组件200b中，与衬底220b的第一侧相反的衬底220b的第二侧(下表面)直接接合(例如，直接耦接、直接接合等)到水夹套210a的冷却片215b(例如，销翅片)。例如，衬底220a的第二侧(例如，图2A中的下表面)的陶瓷材料可直接接合到冷却片215b的(例如，上表面)。在一些实施方式中，衬底220b可使用上述方法(例如，扩散接合、钎焊等)直接接合到水夹套210b的冷却片215b。
如图2B所示，类似于图2A的组件200a，水夹套210b包括限定为穿过其的流体通道217b。例如，在操作中，水(或其他冷却流体)可流过流体通道217b(例如，从入口到出口)，以耗散由半导体管芯240b和250b(以及任何其他发热部件)产生的热量。如图2B所示，直接接合到冷却片215b的衬底220b的表面可限定水夹套210b的流体通道217b的一部分(例如，上壁的至少一部分)。同样如图2B所示，类似于冷却片215a和流体通道217a，水夹套210b的多个冷却片215b(例如，销翅片)设置在流体通道217b内。在操作中，在流体通道217b中流动的水(或其他冷却流体)可流过冷却片215b(以及直接接合到冷却片215b的衬底的表面)，从而增加与冷却流体接触的水夹套220b的表面积，这可改善水夹套210b和衬底220b的散热效率。
与图1的组件100和图2A的组件200a一样，虽然在图2B中未具体示出，但在一些实施方式中，组件200b中可包括其他元件，诸如信号引脚、功率端子、输出端子、导电夹片、焊线等。包括在电子设备组件中的特定元件将取决于特定实施方式。
图3A是示出可用于实现电子设备组件(诸如本文所述的那些电子设备组件)的水夹套310的实施方式的等轴视图。如图3A所示，水夹套310可包括突起(壁、凸起部分、框架等)302a、302b和302c，它们限定水夹套310中的相应凹陷部。在该示例中，水夹套310还包括表面305a、305b和305c，其限定与突起302a、302b和302c对应的凹陷部的相应底表面。如下文进一步所述，突起302a、302b和302c的凹陷部可对应于与水夹套310集成的相应半导体器件组件(半导体器件模块、半导体器件组件衬底等)。
如图3A所示，水夹套310还包括入口312和出口314，其中入口312和出口314可通过水夹套310的流体通道(例如，诸如图2A的流体通道217a)流体连接。例如，水夹套310的流体通道可具有设置在其中的多个冷却片(例如，销翅片)。在操作中，水(或其他冷却液体)可从入口312通过流体通道流动(例如，在液压下)到出口314，以便于由与水夹套310集成的半导体器件组件产生的热量从水夹套310传递出来。
图3B是示出与半导体器件组件衬底320a、320b和320c集成之后的图3A的水夹套310的等轴视图。如图3B所示，衬底320a、320b和320c可分别(例如，使用本文所述的方法)直接接合到图3A的水夹套310的表面305a、305b和305c(在图3B中不可见)。换句话讲，衬底320a-320c可与由突起302a-302c限定的凹陷部的相应底表面直接接合。
图4A是示出可用于实现电子设备组件(诸如本文所述的那些电子设备组件)的水夹套410的实施方式的等轴视图。如图4A所示，与水夹套310一样，水夹套410可包括突起(壁、凸起部分、框架等)402a、402b和402c，它们限定水夹套410中的相应凹陷部。在该示例中，设置在水夹套410的流体通道内的冷却片415可暴露在由突起402a-402c限定的凹陷部中。如下文进一步所述，突起402a-402c的凹陷部可对应于与水夹套410集成的相应半导体器件组件(半导体器件模块等)。
如图4A所示，水夹套410还包括入口412和出口414，其中入口412和出口414通过水夹套410的流体通道(例如，诸如图2B的流体通道217b)流体连接。例如，水夹套410的流体通道可具有设置在其中的多个冷却片415(例如，销翅片)。在操作中(在半导体器件组件与水夹套410集成之后)，水(或其他冷却液体)可从入口412通过流体通道流动(例如，在液压下)到出口414，以便于由与水夹套410集成的半导体器件组件产生的热量从水夹套410传递出来。
图4B是示出与半导体器件组件衬底420a、420b和420c集成之后的图4A的水夹套410的等轴视图。如图4B所示，衬底420a、420b和420c可分别(例如，使用本文所述的方法)直接接合到设置在由突起402a-402c限定的凹陷部中的相应冷却片415(在图4B中不可见)。换句话讲，衬底420a-420c可与设置在(并且暴露在)由水夹套410的突起402a-402c限定的凹陷部中的相应冷却销的上表面直接接合。
图5A-图5G是示意性地示出使用图3B的集成衬底320a-320c和水夹套310的实施方式来制造半导体器件模块的制造工艺的示意图。出于说明的目的，对图5A-图5G的制造工艺进行以下讨论，其是参考与水夹套310集成在一起的单个半导体器件组件(例如，图5A-图5G中最左侧的半导体器件组件)描述的。应当理解，图5A-图5G的其他半导体器件组件(例如，中心半导体器件组件和最右侧半导体器件组件)可使用与下文所述相同、相似或不同的工艺来制造。另外，图5A-图5G可包括参考标号，其未被具体讨论，但通过参考其他附图(诸如图3A和图3B)示出。
如图5A所示，半导体器件540a和550a(例如，晶圆级封装器件、裸半导体管芯等)可与衬底320a耦接(例如，在衬底320a的图案化金属层上)。如图5B所示，壳体570可与水夹套310耦接，其中壳体570可为围绕衬底320a的注塑成型的塑料框架，并且还可限定由突起302a限定的水夹套310的凹陷部，如相对于图3A和图3B所述。
同样如图5B所示，壳体570可包括模塑在壳体570中的功率和输出端子572。同样如图5B所示，信号引脚574可插入(例如，压接)到衬底320a中。例如，信号引脚574可压接到衬底320a中的镀覆开口中，其中镀覆开口可与衬底320a的图案化金属层的相应部分电连接。同样如图5B所示，至少一个导电夹片580可与半导体管芯540a、半导体管芯550a和/或衬底320a(例如，衬底320a的图案化金属层)耦接，例如以在衬底320a与半导体管芯540a和/或540b之间提供电连接。
现在参见图5C，可形成焊线590，以便在信号引脚574与半导体管芯540a和/或550a之间建立相应的电连接。如图5D所示，由壳体570和/或突起302a(如图3A和图3B所示)限定的凹陷部可至少部分地填充有可为半透明的模塑料560(例如，凝胶模塑料或树脂模塑料)，并且可执行固化操作以固化(凝固)模塑料560。如图5D所示，信号引脚574可延伸穿过模塑料560。参见图5E，盖595可使用粘合剂材料诸如焊料材料与模塑料560耦接。在一些实施方式中，可使用用于将信号引脚574和/或夹片580与衬底320a和/或与半导体管芯540a和550a耦接的相同或类似的焊料材料来附接(耦接、附连、安装等)盖595。如图5E所示，盖595可具有限定于其中的通孔，并且信号引脚574可延伸穿过盖595(例如，经由相应的通孔)。
图5F示出了在生产三个(例如，左、中和右)集成半导体器件组件之后的水夹套310的平面图。图5G示出了与图5F对应的侧视图(例如，沿着图5F所示的方向线5G截取)。出于参考和说明的目的，图5F和图5G中提供了用于至少与图3A-图3B和图5A-图5E相对应的参考标号，尽管这里不再参考图5F和图5G具体讨论参考元件。
图6A-图6F是示意性地示出使用图3B的集成衬底320a-320c和水夹套310的实施方式来制造半导体器件模块的另一个制造工艺的示意图。出于说明的目的，对图6A-图6F的制造工艺进行以下讨论，其是参考与水夹套310集成在一起的单个半导体器件组件(例如，图6A-图6F中最左侧的半导体器件组件)描述的。应当理解，图6A-图6F的其他半导体器件组件(例如，中心半导体器件组件和最右侧半导体器件组件)可使用与下文所述相同、相似或不同的工艺来制造。另外，图6A-图6F可包括参考标号，其未被具体讨论，但通过参考其他附图(诸如图3A和图3B)示出。
如图6A所示，半导体器件640a和650a(例如，晶圆级封装器件、裸半导体管芯等)可与衬底320a耦接(例如，在衬底320a的图案化金属层上)。如图6B所示，输出和功率端子672可与衬底320a耦接(例如，焊接)，其中输出和功率端子672可延伸到由水夹套310的突起302a限定的凹陷部之外。
同样如图6B所示，信号引脚674可插入(例如，压接)到衬底320a中。例如，与信号引脚574一样，信号引脚674可压接到衬底320a中的镀覆开口中，其中镀覆开口可与衬底320a的图案化金属层的相应部分电连接。同样如图6B所示，至少一个导电夹片680可与半导体管芯640a、半导体管芯650a和/或衬底320a(例如，衬底320a的图案化金属层)耦接，例如以在衬底320a与半导体管芯640a和/或640b之间提供电连接。
现在参见图6C，可形成焊线690，以便在信号引脚674与半导体管芯640a和/或650a之间建立相应的电连接。如图6D所示，由突起302a(如图3A和图3B所示)限定的凹陷部可至少部分地填充有模塑料660(例如，环氧树脂模塑料)，其可使用传递模塑工艺来执行。如图6D所示，信号引脚674可延伸穿过模塑料660。
图6E示出了在生产三个(例如，左、中和右)集成半导体器件组件之后的水夹套310的平面图。图6F示出了与图6E对应的侧视图(例如，沿着图6E所示的方向线6F截取)。出于参考和说明的目的，图6E和图6F中提供了用于至少与图3A-图3B和图6A-图6D相对应的参考标号，尽管这里不再参考图6E和图6F具体讨论参考元件。
图7A-图7G是示意性地示出使用图4B的集成衬底420a-420c和水夹套410的实施方式来制造半导体器件模块的制造工艺的示意图。出于说明的目的，对图7A-图7G的制造工艺进行以下讨论，其是参考与水夹套410集成在一起的单个半导体器件组件(例如，图7A-图7G中最左侧的半导体器件组件)描述的。应当理解，图7A-图7G的其他半导体器件组件(例如，中心半导体器件组件和最右侧半导体器件组件)可使用与下文所述相同、相似或不同的工艺来制造。另外，图7A-图7G可包括参考标号，其未被具体讨论，但通过参考其他附图(诸如图4A和图4B)示出。
如图7A所示，半导体器件740a和750a(例如，晶圆级封装器件、裸半导体管芯等)可与衬底420a耦接(例如，在衬底420a的图案化金属层上)。如图7B所示，壳体770可与水夹套410耦接，其中与壳体570一样，壳体770可为围绕衬底420a的注塑成型的塑料框架，并且还可限定由突起402a限定的水夹套410的凹陷部，如相对于图4A和图4B所述。
同样如图7B所示，壳体770可包括模塑在壳体770中的功率和输出端子772。同样如图7B所示，信号引脚774可插入(例如，压接)到衬底720a中。例如，信号引脚774可压接到衬底420a中的镀覆开口中，其中镀覆开口可与衬底420a的图案化金属层的相应部分电连接。同样如图7B所示，至少一个导电夹片780可与半导体管芯740a、半导体管芯750a和/或衬底420a(例如，衬底420a的图案化金属层)耦接，例如以在衬底420a与半导体管芯740a和/或740b之间提供电连接。
现在参见图7C，可形成焊线790，以便在信号引脚774与半导体管芯740a和/或750a之间建立相应的电连接。如图7D所示，由壳体770和/或突起402a(如图4A和图4B所示)限定的凹陷部可至少部分地填充有可为半透明的模塑料760(例如，凝胶模塑料或树脂模塑料)，并且可执行固化操作以固化(凝固)模塑料760。如图7D所示，信号引脚774可延伸穿过模塑料760。参见图7E，盖795可使用粘合剂材料与模塑料560耦接。如图7E所示，盖795可具有限定于其中的通孔，并且信号引脚774可延伸穿过盖795(例如，经由相应的通孔)。
图7F示出了在生产三个(例如，左、中和右)集成半导体器件组件之后的水夹套410的平面图。图7G示出了与图7F对应的侧视图(例如，沿着图7F所示的方向线7G截取)。出于参考和说明的目的，图7F和图7G中提供了用于至少与图4A-图4B和图7A-图7E相对应的参考标号，尽管这里不再参考图7F和图7G具体讨论参考元件。
图8A-图8F是示意性地示出使用图4B的集成衬底420a-420c和水夹套410的实施方式来制造半导体器件模块的另一个制造工艺的示意图。出于说明的目的，对图8A-图8F的制造工艺进行以下讨论，其是参考与水夹套410集成在一起的单个半导体器件组件(例如，图8A-图8F中最左侧的半导体器件组件)描述的。应当理解，图8A-图8F的其他半导体器件组件(例如，中心半导体器件组件和最右侧半导体器件组件)可使用与下文所述相同、相似或不同的工艺来制造。另外，图8A-图8F可包括参考标号，其未被具体讨论，但通过参考其他附图(诸如图4A和图4B)示出。
如图8A所示，半导体器件840a和850a(例如，晶圆级封装器件、裸半导体管芯等)可与衬底420a耦接(例如，在衬底420a的图案化金属层上)。如图8B所示，输出和功率端子872可与衬底420a耦接(例如，焊接)，其中输出和功率端子872可延伸到由水夹套410的突起402a限定的凹陷部之外。
同样如图8B所示，信号引脚874可插入(例如，压接)到衬底420a中。例如，与信号引脚674一样，信号引脚874可压接到衬底420a中的镀覆开口中，其中镀覆开口可与衬底420a的图案化金属层的相应部分电连接。同样如图8B所示，至少一个导电夹片880可与半导体管芯840a、半导体管芯850a和/或衬底420a(例如，衬底420a的图案化金属层)耦接，例如以在衬底420a与半导体管芯840a和/或840b之间提供电连接。
现在参见图8C，可形成焊线890，以便在信号引脚874与半导体管芯840a和/或850a之间建立相应的电连接。如图8D所示，由突起402a(如图4A和图4B所示)限定的凹陷部可至少部分地填充有模塑料860(例如，环氧树脂模塑料)，其可使用传递模塑工艺来执行。如图8D所示，信号引脚874可延伸穿过模塑料860。
图8E示出了在生产三个(例如，左、中和右)集成半导体器件组件之后的水夹套410的平面图。图8F示出了与图8E对应的侧视图(例如，沿着图8E所示的方向线8F截取)。出于参考和说明的目的，图8E和图8F中提供了用于至少与图4A-图4B和图8A-图8D相对应的参考标号，尽管这里不再参考图8E和图8F具体讨论参考元件。
图9A-图9D是示出例如图7A-图7G的半导体模块的实施方式的各个方面的示意图。即，图9A-图9D中的附图示出了图7A-图7G的组件的元件的布置和关系。例如，图9A示出了散热管410和与散热管集成的三个(例如，左、中和右)半导体器件模块。在图7A中，仅示出了右半导体模块，其中盖795在适当位置。虚线插图9B在图9A中示出，以指示图9B中所示的图9A的组件的一部分。进一步参照图7A-图7G，图9A示出了例示的示例中的散热管410、壳体770、输出和功率端子772、信号引脚774和盖795的布置和关系。图9A中还示出了水夹套410的流体通道的入口412和出口414。图9A还包括剖面线9C-9C，该剖面线与图9C中所示的剖视图相对应。
图9B是示出了由图9A中的虚线9B指示的图9A的组件的一部分的放大视图的示意图。图9B的视图示出了壳体770和在壳体770中模塑的端子772。图9A还示出了压接到组件的衬底420a中的信号引脚774。图9B还示出了与半导体器件740a耦接的导电夹片780，从而提供半导体器件740a与衬底420a之间的电连接。
图9C是示出沿剖面线9C-9C的图9A的组件的侧面剖视图的示意图。图9C示出了水夹套410、水夹套410的冷却片415b和衬底420b的布置和关系。图9C还示出了衬底420a上的半导体管芯740b以及导电夹片780的布置和关系。在图9C中，示出了壳体770在水夹套410上的布置，以及壳体770中的输出和功率端子772的布置。图9C还示出了压接在衬底420a中的信号引脚774，以及焊线790，从而在相应信号引脚774与半导体器件740b之间提供电连接(例如，经由衬底420a的图案化金属层)。
图9D是示出了由图9C中的虚线9D指示的图9A的组件的一部分的放大视图的示意图。图9D示出了冷却片415、衬底420b、半导体器件740b和导电夹片780的布置和关系。图9D还示出了设置在衬底420b上的图案化金属层430的部分。
在一些实施方式中，可在半导体器件组件(诸如本文所述的组件)中实现具有除上述那些(例如，相对于图1)之外的构型的衬底。例如，如图10所示的衬底1000可用于实现半导体器件组件，诸如例如图3A-图4B所示的半导体器件组件。参见图10，衬底1000可包括陶瓷(介电)层1020、第一金属层1030和第二金属层1035。在一些实施方式中，第一金属层1030可为图案化金属层(例如，其上可设置一个或多个半导体管芯)，并且第二金属层可为覆盖陶瓷层1020的底表面(如图10中所取向的)的全部或大部分的未图案化金属层，但图案化和/或未图案化金属层的其他组合也是可能的。如图10所示，金属层1030和1035(例如，以及图1中的金属层130)可具有厚度T1。在一些实施方式中，厚度T1可为大约300微米(μm)。
在一些实施方式中，金属层1030和1035可为使用直接接合耦接到陶瓷层1020的铜金属层。例如，在该示例性实施方式中，晶种层1032和1037(例如，氮化钛(TiN)的晶种层)可被施加到(例如，溅射在其上)陶瓷层1020。然后可将铜层1030和1035扩散接合到陶瓷层1020，其中此类扩散接合由相应的晶种层1032和1037促进。例如，铜层1030和1035可在1000℃的温度和10MPa的压力下扩散接合到陶瓷层1020。参见图1，在一些实施方式中，可使用相对于图10中的衬底100所述的方法(或类似方法)将金属层130扩散接合到陶瓷层120。
在一些实施方式中，用于将衬底(例如，图10的衬底1000)与除上述那些之外的散热器具(例如，水夹套、散热器等)耦接(例如，扩散接合)的方法可用于生产半导体器件组件，诸如本文所述的半导体器件组件。例如，图11示出了包括图10的衬底1000的实施方式的半导体器件组件1100。在该示例性实施方式中，图10的衬底1000可使用金属板(金属层等)1190扩散接合到散热器具(例如，水夹套、散热器等)1110。在一些实施方式中，金属板1190可为具有T2厚度的铝(Al)板，其中T2可为大约例如100μm。
在一些实施方式中，衬底1000和金属板1190之间的扩散接合以及金属板1190和散热器具1110之间的扩散接合可在540℃的温度和7MPa的压力下(例如，在与用于将金属层1030和1035扩散接合到衬底1000的陶瓷层1020的条件不同的条件下)执行。在其他实施方式中，其他材料可用于将衬底1000扩散接合到散热器具1110，并且/或者扩散接合可使用不同的条件(例如，温度和/或压力)来执行。如图11所示，散热器具(例如，水夹套、散热器等)可具有厚度T3，其中T3可为大约15毫米(mm)。根据实施方式，本文所述的散热器具可由金属诸如铜、铜合金等形成，并且可具有与相对于图11所述的厚度相同或不同的厚度。
应当理解，在前面的描述中，当元件诸如层、区域或衬底被提及在另一个元件上，连接到另一个元件，电连接到另一个元件，耦接到另一个元件，或电耦接到另一个元件时，该元件可直接在另一个元件上，连接或耦接到另一个元件，或者可以存在一个或多个中间元件。相反，当元件被提及直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、或直接耦接到另一个元件或层时，不存在中间元件或层。虽然在整个具体实施方式中可能不会使用术语直接在…上、直接连接到…、或直接耦接到…，但是被示为直接在元件上、直接连接或直接耦接的元件能以此类方式提及。本申请的权利要求书可被修订以叙述在说明书中描述或者在附图中示出的示例性关系。
如在本说明书中所使用的，除非根据上下文明确地指出特定情况，否则单数形式可包括复数形式。除了附图中所示的取向之外，空间相对术语(例如，在…上方、在…上面、在…之上、在…下方、在…下面、在…以下、在…之下、在…顶部、在…底部等)旨在涵盖器件在使用或操作中的不同取向。在一些实施方式中，在…上面和在…下面的相对术语可分别包括竖直地在…上面和竖直地在…下面。在一些实施方式中，术语邻近能包括横向邻近或水平邻近。
一些实施方式可使用各种半导体处理和/或封装技术来实现。一些实施方式可以使用与半导体衬底相关联的各种类型的半导体处理技术来实现，该半导体衬底包括但不限于例如硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等。
虽然所描述的实施方式的某些特征已经如本文所述进行了说明，但是本领域技术人员现在将想到许多修改形式、替代形式、变化形式和等同形式。例如，关于一个实施方式示出的特征在适当的情况下也可以包括在其他实施方式中。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入实施方式的范围内的所有此类修改形式和变化形式。应当理解，这些修改形式和变化形式仅仅以举例而非限制的方式呈现，并且可以进行形式和细节上的各种变化。除了相互排斥的组合以外，本文所述的装置和/或方法的任何部分可以任意组合进行组合。本文所述的实施方式可包括所描述的不同实施方式的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。

Claims (14)

1.一种电子设备组件，包括：
半导体器件组件，所述半导体器件组件包括：
陶瓷衬底；
图案化金属层，所述图案化金属层设置在所述陶瓷衬底的第一表面上；
半导体管芯，所述半导体管芯设置在所述图案化金属层上；和
散热器具，所述陶瓷衬底的第二表面的陶瓷材料直接接合到所述散热器具的表面，所述陶瓷衬底的所述第二表面与所述陶瓷衬底的所述第一表面相反。
2.根据权利要求1所述的电子设备组件，其中：
所述散热器具包括散热器或水夹套中的至少一者；并且
使用扩散接合或钎焊中的一者将所述陶瓷衬底的所述第二表面直接接合到所述散热器具。
3.根据权利要求1所述的电子设备组件，其中：
所述散热器具包括水夹套；并且
所述陶瓷衬底的所述第二表面直接接合到以下项中的一者：
所述水夹套的外表面，其中所述水夹套的包括所述外表面的一部分限定所述水夹套的流体通道的一部分；或
所述水夹套的多个冷却片，其中所述陶瓷衬底的所述第二表面限定所述水夹套的流体通道的一部分，并且所述水夹套的所述多个冷却片设置在所述水夹套的所述流体通道内。
4.根据权利要求1所述的电子设备组件，还包括：包封所述半导体器件组件的模塑料，所述模塑料设置在至少部分地由所述散热器具限定的凹陷部中，所述陶瓷衬底设置在所述凹陷部内。
5.根据权利要求1所述的电子设备组件，还包括：
模塑料，所述模塑料包封所述半导体器件组件，所述模塑料设置在凹陷部中，所述凹陷部至少部分地由设置在所述散热器具上的框架限定，所述框架围绕所述陶瓷衬底的周边设置；
盖，所述盖设置在所述模塑料上；和
至少一个信号引脚，所述至少一个信号引脚与所述陶瓷衬底耦接，所述至少一个信号引脚延伸穿过所述模塑料和所述盖。
6.一种电子设备组件，包括：
第一半导体器件组件，所述第一半导体器件组件包括：
第一陶瓷衬底；
第一图案化金属层，所述第一图案化金属层设置在所述第一陶瓷衬底的第一表面上；和
第一半导体管芯，所述第一半导体管芯设置在所述第一图案化金属层上；
第二半导体器件组件，所述第二半导体器件组件包括：
第二陶瓷衬底；
第二图案化金属层，所述第二图案化金属层设置在所述第二陶瓷衬底的第一表面上；和
第二半导体管芯，所述第二半导体管芯设置在所述第二图案化金属层上；以及
散热器具，所述散热器具直接接合到所述第一陶瓷衬底的第二表面的陶瓷材料和所述第二陶瓷衬底的第二表面的陶瓷材料，
所述第一陶瓷衬底的所述第二表面与所述第一陶瓷衬底的所述第一表面相反，并且
所述第二陶瓷衬底的所述第二表面与所述第二陶瓷衬底的所述第一表面相反。
7.根据权利要求6所述的电子设备组件，其中使用扩散接合或钎焊中的一者将所述散热器具直接接合到所述第一陶瓷衬底和所述第二陶瓷衬底。
8.根据权利要求6所述的电子设备组件，其中：
所述散热器具为水夹套；并且
所述第一陶瓷衬底和所述第二陶瓷衬底直接接合到以下项中的一者：
所述水夹套的外表面，其中所述水夹套的包括所述外表面的一部分限定所述水夹套的流体通道的一部分；或
所述水夹套的相应多个冷却片，其中所述第一陶瓷衬底和所述第二陶瓷衬底限定所述水夹套的流体通道的一部分。
9.根据权利要求6所述的电子设备组件，还包括：
模塑料，所述模塑料分别包封所述第一半导体器件组件和所述第二半导体器件组件；
第一压接引脚，所述第一压接引脚与所述第一陶瓷衬底耦接，所述第一压接引脚延伸穿过所述第一半导体器件组件的相应模塑料；和
第二压接引脚，所述第二压接引脚与所述第二陶瓷衬底耦接，所述第二压接引脚延伸穿过所述第二半导体器件组件的相应模塑料，其中所述第一半导体器件组件的所述相应模塑料设置在至少部分地由所述散热器具限定的凹陷部中，所述第一陶瓷衬底设置在所述凹陷部内。
10.根据权利要求6所述的电子设备组件，还包括：
模塑料，所述模塑料分别包封所述第一半导体器件组件和所述第二半导体器件组件；
第一压接引脚，所述第一压接引脚与所述第一陶瓷衬底耦接，所述第一压接引脚延伸穿过所述第一半导体器件组件的相应模塑料；和
第二压接引脚，所述第二压接引脚与所述第二陶瓷衬底耦接，所述第二压接引脚延伸穿过所述第二半导体器件组件的相应模塑料，
其中所述第一半导体器件组件的所述相应模塑料设置在凹陷部中，所述凹陷部至少部分地由设置在所述散热器具上的框架限定，所述框架围绕所述第一陶瓷衬底的周边设置，
所述电子设备组件还包括盖，所述盖设置在所述第一半导体器件组件的所述相应模塑料上，所述第一压接引脚延伸穿过所述盖。
11.一种电子设备组件，包括：
半导体器件组件，所述半导体器件组件包括：
陶瓷衬底；
第一金属层，所述第一金属层设置在所述陶瓷衬底的第一表面上；
第二金属层，所述第二金属层设置在所述陶瓷衬底的第二表面上，所述第二表面与所述第一表面相反；以及
半导体管芯，所述半导体管芯与所述第一金属层耦接；和
散热器具，所述半导体器件组件扩散接合到所述散热器具的表面。
12.根据权利要求11所述的电子设备组件，其中所述半导体器件组件的所述第二金属层经由金属板扩散接合到所述散热器具。
13.根据权利要求11所述的电子设备组件，其中：
所述散热器具包括水夹套；并且
所述半导体器件组件的所述第二金属层扩散接合到以下项中的一者：
所述水夹套的外表面，其中所述水夹套的包括所述外表面的一部分限定所述水夹套的流体通道的一部分；或
所述水夹套的多个冷却片，其中所述第二金属层或所述陶瓷衬底的所述第二表面中的至少一者限定所述水夹套的流体通道的一部分，并且所述水夹套的所述多个冷却片设置在所述水夹套的所述流体通道内。
14.根据权利要求11所述的电子设备组件，还包括包封所述半导体器件组件的模塑料，所述模塑料设置在至少部分地由所述散热器具限定的凹陷部中，所述陶瓷衬底设置在所述凹陷部内。
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