CN114121872A - 功率电子开关装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种功率电子开关装置及其制造方法，功率电子开关装置具有基板，该基板在法线方向上面向第一导电轨道和第二导电轨道，其中功率半导体部件通过导电连接而布置在第一导电轨道上，其中功率半导体部件具有侧面环绕边缘，并且在其背离基板的第一主侧上具有边缘区域和接触区域，并且该功率电子开关装置具有三维预成型的绝缘模制件，该绝缘模制件包括重叠区段、连接区段和延伸区段，其中从法线方向观察重叠区段从边缘开始与功率半导体部件的边缘区域部分地重叠。

Description

功率电子开关装置及其制造方法
技术领域
本发明描述了一种功率电子开关装置，其具有带有第一导电轨道和第二导电轨道的基板，其中功率半导体部件通过导电连接而布置在第一导电轨道上。功率半导体部件包括侧面环绕边缘和绝缘装置抵靠布置的边缘区域。本发明还描述了一种用于制造这种功率电子开关装置的方法。
背景技术
DE102015116 65A1作为现有技术公开了一种用于制造功率电子开关装置的方法。功率半导体部件在此布置在基板的导电轨道的第一区域上。随后制备具有切口的绝缘膜，其中与该切口相邻的绝缘膜的重叠区域被设计为覆盖功率半导体部件的边缘区域。绝缘膜在布置有功率半导体部件的基板上以如此的方式布置，使得功率半导体部件的边缘区域在每一侧上都被绝缘膜的重叠区域覆盖，其中绝缘膜的另外的区段覆盖导电轨道中一个的多个部分。最后，布置连接装置。
发明内容
鉴于所述现有技术，本发明基于以下目的：提供一种功率电子开关装置及其制造方法，具有供替代的(alternative)绝缘装置，其中可以更容易地布置，并且其材料在技术上是有利的。
根据本发明，该目的通过一种功率电子开关装置来实现，该功率电子开关装置具有基板，该基板在法线方向上面向第一导电轨道和第二导电轨道，其中功率半导体部件通过导电连接而布置在第一导电轨道上，其中功率半导体部件具有侧面环绕边缘以及在其背离基板的第一主侧上具有边缘区域和接触区域，并且该功率电子开关装置具有三维预成型的绝缘模制件，其包括重叠区段、连接区段和延伸区段，其中从法线方向观察，重叠区段从所述边缘开始在均垂直于所述法线方向的两个方向上与功率半导体部件的边缘区域部分地重叠，由此接触区域部分地或完全地不与绝缘模制件重叠，并且因此保持暴露和可触及。
如果从法线方向观察，从边缘开始，重叠区段与边缘区域完全地重叠并且部分地(优选地完全地环绕)与接触区域重叠，并且在最小可能的程度上重叠，则可能是特别有利的。
如果绝缘模制件在其面向基板的第二主侧上具有波状轮廓(contouredprofile)，并且优选地还在其背离基板的第一主侧上具有波状轮廓，则可能是优选的。此外，如果绝缘模制件的厚度不均匀，并且在第一平面区段中比在第二平面区段中小超过20％、优选地小超过30％、特别优选地小超过50％，则在此可以是进一步优选的。平面区段在此旨在指具有彼此平行的相应主侧的两个区段的区段。第一平面区段优选地位于连接区段的区域中，并且第二平面区段位于延伸区段的区域中。
如果在重叠区段与功率半导体部件的第一主侧之间布置第一粘合剂物质，则可能是特别有利的。此外，如果第一粘合剂物质也被设置在功率半导体部件的边缘与连接区段的相关区域之间，则在此可能是有利的。
此外，如果连接区段直接搁置在第一导电轨道上，或者如果在连接区段的相关区域和第一导电轨道之间设置第二粘合剂物质，则可能是优选的。如果第一粘合剂物质和第二粘合剂物质由相同的材料形成，在此是特别优选的。
如果绝缘模制件的介电常数比第一粘合剂物质大25％，优选地大50％，特别优选地大100％，则显现有利的实施例。
如果绝缘模制件具有比第一粘合剂物质小25％、优选地小50％、特别优选地小100％的热膨胀系数，则显现进一步有利的实施例。
如果绝缘模制件具有大于1000kV/m、特别是大于2000kV/m的介电强度和大于109Ω/m、特别是大于1010Ω/m的电阻率，则也显现有利的实施例。
如果绝缘模制件由来自液晶聚合物或热塑性塑料或热固性塑料的材料组的材料形成，则最终显现有利的实施例。绝缘模制件可以特别地由聚酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚或聚醚醚酮形成。
该目的进一步通过一种用于制造上述根据本发明的功率电子开关装置的方法来实现，该方法具有以下方法步骤：
a)为基板提供功率半导体部件，功率半导体部件被布置在第一导电轨道上并且导电地连接到第一导电轨道；
b)布置三维预成型的绝缘模制件。
如果在方法步骤b)之前执行以下方法步骤，则在此可能是有利的：将第一粘合剂物质布置在功率半导体部件的边缘区域上或者布置在绝缘模制件面向功率半导体部件的边缘区域的平面区段上。
如果在方法步骤b)之后进行以下方法步骤，则也可能是优选的：使功率电子开关装置经受50℃与200℃之间、优选80℃与120℃之间的温度。
如果在方法步骤b)之后执行以下方法步骤，则可能是进一步优选的：布置连接装置，用于功率半导体部件的接触区段的接触表面与第二导电轨道之间的导电连接，其中连接装置设计为引线接合连接(wire bond connect ion)或被设计为膜堆叠，其中这由至少一个导电膜和至少一个电绝缘膜的交替布置形成。
当然，如果这本身既没有被排除也没有被明确，则以单数形式提及的特征、特别是相应的导电轨道和功率半导体部件，以及如果相关的话还有绝缘模制件，也可以在根据本发明的功率电子开关装置中以复数存在。然而，如果在根据本发明的功率电子开关装置中仅存在恰好一个三维预成型的绝缘模制件，则也可能是优选的。
应当清楚的是，本发明的各种实施例可以单独地实现或以任何期望的组合实现，以便实现改进。特别地，在不脱离本发明范围的情况下，无论上文和下文提到和解释的特征不管它们是否在功率电子开关装置或方法的上下文中描述都不仅可以以给定的组合使用，而且可以以其他组合使用或单独使用。以优选的方式，仅布置一个或至多两个三维预成型的绝缘模制件，并且至少两个、优选地多于两个的功率半导体部件被分配给每个绝缘模制件。
本发明的进一步解释、有利的细节和特征从图1至图7中示意性地示出的本发明的示例性实施例或其相应部分的以下描述中显现。根据本发明的功率电子开关装置在此应始终被理解为也指根据本发明制造的功率电子开关装置。
附图说明
图1示出了根据现有技术的功率电子开关装置的侧视图。
图2和图3示出了根据本发明的功率电子开关装置的第一实施例的侧视图。
图4示出了根据本发明的功率电子开关装置的第二实施例的侧视图。
图5示出了根据本发明的功率电子开关装置的第三实施例的侧视图。
图6示出了根据本发明的功率电子开关装置的第四实施例的侧视图。
为了进一步解释的目的，图7示出了功率电子开关装置的功率半导体部件的平面图。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的功率电子开关装置1的侧视图。该开关装置1包括基板2，基板2具有绝缘材料的主体20以及布置在此的第一导电轨道22和第二导电轨道24。功率半导体部件5布置在该基板2的第一导电轨道22上，并且通过其面向第一导电轨道22的接触表面导电地连接到此。该导电连接900在此形成为压力烧结材料接合，而不限制一般性。
功率半导体部件5，或者更确切地说，功率半导体部件5在其法线方向N上背离基板2的接触表面，通过连接装置3导电地连接到基板2的第二导电轨道24。该连接装置3被设计为膜层压件，该膜层压件由面向基板2的第一导电膜30、在膜层压件中随后的电绝缘膜32、以及再次在膜层压件中随后的第二导电膜34组成。有利地，至少一个导电膜30、34在此本身被结构化，并且形成导电膜轨道。
功率电子开关装置1还包括连接元件6，在此仅示出辅助连接元件，以承载辅助电位，诸如传感器或控制信号。该连接元件6设计为常规的压接触元件64，其通过套筒62布置在连接装置上的。该套筒包括接合到第一导电膜30的背离基板2的表面上的接触区段的材料结合部900。
该第一导电膜30通过材料结合的导电连接900连接到基板2的第二导电轨道24，在此形成为常规的压力烧结连接。还示出了壳体7的一部分，壳体7在此是功率电子开关装置或与其形成的功率半导体模块的一部分。该壳体包括用于连接元件6的馈通部70。在此提到的这种内部连接装置、连接元件和壳体或部分壳体(包括不同设计的那些)也可以抵靠根据本发明的功率电子开关装置布置，并且然后特别地与其形成功率半导体子模块。
图2和图3示出了根据本发明的功率电子开关装置的第一实施例的侧视图。基板2与功率半导体部件5以及根据图3的连接装置3的基本设计一起对应于如在图1中描述的现有技术。被设计为膜层压件的该连接装置3包括各自具有200μm的厚度的第一导电膜30和第二导电膜34以及具有80μm的厚度的电绝缘膜32。
功率半导体部件5包括(也参见图7)侧面环绕边缘50以及在其背离基板2的第一主侧500上的边缘区域52和接触区域54，接触区域54紧邻边缘区域52以及一个或如图7中所示的多个接触表面。
还示出了三维预成型的绝缘模制件4的一部分，绝缘模制件4与膜相比在设计上是刚性的。该绝缘模制件4包括重叠区段42、连接区段44和延伸区段46，在此未示出，其中连接区段44完全布置在重叠区段42和延伸区段46之间。从法线方向N观察，重叠区段42从功率半导体部件5的边缘50开始与功率半导体部件5的边缘区域52部分地重叠，并且在此延伸至接近接触区域54。
第一粘合剂物质80设置在重叠区段42和功率半导体部件5的第一主侧500之间，或者更精确地，设置在重叠区段42和功率半导体部件5的边缘区域52的重叠区段之间。该第一粘合剂物质80还设置在功率半导体部件5的边缘与绝缘模制件4的连接区段44的相对(即相关联的)区域之间，使得在三维预成型的绝缘模制件4与功率半导体部件5之间不存在直接接触。第一粘合剂物质80甚至在功率半导体部件5的接触区域54的方向上延伸超过绝缘模制件4的边缘，并且稍微接触该区域。
此外，在该实施例中，连接区段44直接搁置在第一导电轨道22和第二导电轨道24上，从而桥接设置在导电轨道22、24之间的沟槽26。
在该示例性实施例中，纯粹通过示例的方式，绝缘模制件4由聚苯硫醚组成，并且具有比是硅橡胶的第一粘合剂物质80的介电常数大至少50％的介电常数。此外，绝缘模制件4具有比第一粘合剂物质80小至少50％的热膨胀系数。此外，绝缘模制件4具有大于1500kV/m的介电强度和大于1010Ω/m的电阻率。
图4示出了根据本发明的功率电子开关装置的第二实施例的侧视图。基板2、功率半导体部件5和第一粘合剂物质80各自与根据图2和图3的那些相同。
在此示出了三维预成型绝缘模制件4的延伸区段46的一部分、重叠区段42和连接区段44。在该第二实施例中，与第一实施例的绝缘模制件类似，绝缘模制件4在其面向基板2的第二主侧402上具有波状轮廓。在从连接区段44到延伸区段46的过渡区域中，该三维预成型的绝缘模制件4在其背离基板2的第一主侧400上也具有波状轮廓。
在该第二实施例中，连接区段44以及延伸到另外的功率半导体部件(未示出)的另外的连接区段(也未示出)的延伸区段46也直接搁置在第一导电轨道22和第二导电轨道24上。
图5示出了根据本发明的功率电子开关装置的第三实施例的侧视图。相比于第二实施例，连接区段44以及还有延伸区段46在此不直接位于导电轨道22、24中的任一个上。相反，在这种情况下，第二粘合剂物质82设置在三维预成型绝缘模制件4和基板2(包括其导电轨道22、24)之间的整个表面上。第一粘合剂物质80和第二粘合剂物质82有利地由相同的材料形成，即是完全相同的，并且也在制造方法的过程中同时设置。
图6示出了根据本发明的功率电子开关装置的第四实施例的侧视图。三维预成型的绝缘模制件4在此同样包括重叠区段42、连接区段44和延伸区段46。从法线方向N观察，在此重叠区段42从边缘50开始完全地重叠功率半导体部件的边缘区域52，并且由此也完全环绕地以及部分地重叠功率半导体部件5的接触区域54，尽管仅在很小的程度上。
重叠区段42的边缘包括面向功率半导体部件5设置的完全环绕的通道状凹部420，用于牢固的机械连接。
绝缘模制件4在其面向基板2的第二主侧402上具有波状轮廓。它还在其背离基板2的第一主侧400上具有波状轮廓。因此，绝缘模制件4的厚度是不均匀的，并且在第一平面区段404中比在第二平面区段406中小30％以上。
为了进一步解释的目的，图7示出了功率电子开关装置的功率半导体部件5的平面图。功率半导体部件5具有位于其主表面之间在侧面处的边缘50。在上侧，其是第一主侧500，参考图2至图6，该第一主侧500的边缘区域52从边缘50开始延伸，其中布置有本领域常用的环形边缘结构。接触区域54邻近边缘区域52布置，形成功率半导体部件5的内部区域，并且包围所有电接触表面540、542以及它们的中间空间。在此纯粹通过示例的方式示出两个电接触表面、控制连接接触表面542和负载连接接触表面540，负载连接接触表面540在此被实施为功率晶体管的发射极连接接触表面。

Claims (26)

1.一种功率电子开关装置，该功率电子开关装置(1)具有基板(2)，该基板(2)在法线方向(N)上面向第一导电轨道(22)和第二导电轨道(24)，其特征在于，功率半导体部件(5)通过导电连接(900)而布置在第一导电轨道(22)上，其中功率半导体部件(5)具有侧面环绕边缘(50)，并且在其背离基板(2)的第一主侧(500)上具有边缘区域(52)和接触区域(54)，并且该功率电子开关装置(1)具有三维预成型的绝缘模制件(4)，该绝缘模制件(4)包括重叠区段(42)、连接区段(44)和延伸区段(46)，其中从法线方向(N)观察，重叠区段(42)从边缘(50)开始与功率半导体部件(5)的边缘区域(52)部分地重叠。
2.根据权利要求1所述的功率电子开关装置，其特征在于，
从法线方向(N)上观察，重叠区段(42)从边缘(50)开始完全地覆盖边缘区域(52)并且部分地覆盖接触区域(54)。
3.根据权利要求1所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)在其面向基板(2)的第二主侧(402)上具有波状轮廓。
4.根据权利要求3所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)在其背离基板(2)的第一主侧(400)上也具有波状轮廓。
5.根据权利要求4所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)的厚度不是均匀的，并且绝缘模制件(4)在第一平面区段(404)中的厚度比在第二平面区段(406)中的厚度小超过20％。
6.根据权利要求5所述的功率电子开关装置，其特征在于，绝缘模制件(4)在第一平面区段(404)中的厚度比在第二平面区段(406)中的厚度小超过30％。
7.根据权利要求5所述的功率电子开关装置，其特征在于，绝缘模制件(4)在第一平面区段(404)中的厚度比在第二平面区段(406)中的厚度小超过50％。
8.根据权利要求1所述的功率电子开关装置，其特征在于，
第一粘合剂物质(80)设置在重叠区段(42)与功率半导体部件(5)的第一主侧(500)之间。
9.根据权利要求8所述的功率电子开关装置，其特征在于，
第一粘合剂物质(80)还设置在功率半导体部件(5)的边缘(50)与连接区段(44)的相关联区域之间。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
连接区段(44)直接搁置在第一导电轨道(22)上，或者第二粘合剂物质(82)设置在连接区段(44)的相关联区域和第一导电轨道(22)之间。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
第一粘合剂物质(80)和第二粘合剂物质(82)由相同的材料形成。
12.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)具有比第一粘合剂物质(80)大25％的介电常数。
13.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)具有比第一粘合剂物质(80)大50％的介电常数。
14.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)具有比第一粘合剂物质(80)大100％的介电常数。
15.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)具有比第一粘合剂物质(80)小25％的热膨胀系数。
16.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)具有比第一粘合剂物质(80)小50％的热膨胀系数。
17.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)具有比第一粘合剂物质(80)小100％的热膨胀系数。
18.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)具有大于1000kV/m的介电强度，以及大于109Ω/m的电阻率。
19.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)具有大于2000kV/m的介电强度。
20.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)具有大于1010Ω/m的电阻率。
21.根据权利要求1-9中任一项所述的功率电子开关装置，其特征在于，
绝缘模制件(4)由来自液晶聚合物的材料组或热塑性塑料的材料组或热固性塑料的材料组的材料形成。
22.一种用于制造根据权利要求1-21中任一项所述的功率电子开关装置的方法，其特征在于，具有以下方法步骤：
a)为基板(2)提供功率半导体部件(5)，功率半导体部件(5)布置在第一导电轨道(22)上并且导电地连接到第一导电轨道(22)；
b)布置三维预成型的绝缘模制件(4)。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，
在方法步骤b)之前进行以下方法步骤：
将第一粘合剂物质(80)布置在功率半导体部件(5)的边缘区域(52)上或者布置在绝缘模制件面向功率半导体部件(5)的边缘区域(52)的平面区段上。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，
在方法步骤b)之后进行以下方法步骤：
使功率电子开关装置经受50℃与200℃之间的温度。
25.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，
在方法步骤b)之后进行以下方法步骤：
使功率电子开关装置经受80℃与120℃之间的温度。
26.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，
在方法步骤b)之后进行以下方法步骤：
布置连接装置(3)，用于功率半导体部件(5)的接触区域(54)的电接触表面(540、542)与第二导电轨道(24)之间的导电连接，其中连接装置(3)被设计为引线结合连接或膜堆叠，其中这由至少一个导电膜(30、34)和至少一个电绝缘膜(32)的交替布置形成。
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