CN116157662A - 半导体器件 - Google Patents

Abstract

提供了一种半导体器件(100)，包括：至少一个半导体芯片(5)和热耦合到至少一个半导体芯片(5)的结构(2)以及传感器(16)，其中，该结构(2)包括位于半导体器件内部的表面，并且该表面包括凹槽(12)；传感器(16)包括穿过凹槽(12)的光纤(13)，其中，该传感器(16)被配置为感测至少一个半导体芯片(5)的温度。

Description

半导体器件

技术领域

本公开涉及半导体器件和在半导体器件中安装传感器的方法。更具体地，但并非排他地，本公开涉及一种功率半导体器件，其包括内置温度传感器，该内置温度传感器能够在功率半导体器件的操作期间实时监测各个芯片温度。

背景技术

功率半导体器件可以容纳一个或多个功率半导体芯片(或管芯(die))。功率半导体芯片通常用于切换高电流和高电压，并且可以包括功率晶体管、功率二极管和功率晶闸管等中的一个或多个。功率晶体管包括但不限于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、功率双极结型晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。功率半导体器件也可以称为功率模块或功率电子模块。

期望监测功率半导体器件内的(多个)功率半导体芯片的温度。实时测量芯片温度在器件制造期间以及在使用该器件的功率电子系统(例如功率转换器)的调试和设置期间是有用的。在器件在其寿命的操作期间，实时测量芯片温度对于器件、功率电子系统和/或包含功率电子系统的整个功率系统的持续状态监测也是有用的。在设备操作期间测量芯片温度对于确保芯片保持在安全操作极限内进一步有用。在器件操作期间，测量芯片温度对于确保芯片保持在安全操作极限内进一步有用。商业系统中使用的现有温度监测方法通常仅允许估计器件内芯片的平均温度，但不允许各个芯片温度的测量。现有方法也可能不提供监测同一器件内不同芯片类型(例如IGBT和二极管)的温度的设施。

特别地，用于测量功率半导体器件的温度的一种已知方法使用间接技术，例如对温度敏感电参数(TSEP)的测量，可以从中估计芯片温度。这些参数包括但不限于导通状态电压降、阈值电压和切换延迟时间。这种已知的方法是用于在商业系统中的操作期间在线监测压力封装功率半导体器件中的温度的现有技术的方法。

通过测量TSEP，可以估计器件特定区域内的温度。所估计的温度通常在特定区域内的最高温度和最低温度之间。对于其中芯片和用于感测TSEP的连接通常并联连接的多芯片功率半导体器件，不可能使用TSEP方法来确定器件内各个芯片的温度。通常，器件内芯片的温度不均匀。差异源于几何约束和制造差异。因此，应用安全裕度(safety margin)以确保器件内的所有芯片保持在规定的温度极限内。.

安全裕度通常是任意的，因为器件内各个芯片温度的分布是未知的。如果应用的裕度太大，那么即使是最热的芯片也可能在显著低于其安全操作极限下运行。如果安全裕度不足，则最热的芯片可能在安全操作极限之外操作，因此容易出现过早故障。这两种情况都是功率电子系统效率低下的原因。使用允许监测各个芯片温度的方法，可以最大开发器件的潜力。此外，芯片温度在预期设计极限之外的偏差可以指示功率电子系统中的其他问题，例如功率半导体器件中的部件以及电容器或连接器等其他部件中的部件的老化。因此，使用允许监测各个芯片温度的方法对于功率电子系统的状态监测也是非常有用的。无论如何，这无法通过已知的TSEP测量方法实现。现有方法也可能不提供监测同一器件内不同芯片类型(例如IGBT和二极管)的温度的设施。

此外，一些TSEP要求在低电流条件下进行测量，以确保精度并防止自发热。这种测量干扰功率电子系统的正常操作，因此增加了器件的在线温度监测的难度。

诸如热电偶和红外传感器的技术可用于监测各个芯片温度，但具有显著的缺点，例如易受电磁干扰(EMI)、与系统中存在的高压隔离或需要对器件封装进行广泛的物理修改，通常将其限制在实验室研究中，并使其无法在商业系统中部署。

已知光纤布拉格光栅(FBG)传感器可用于测量半导体器件的温度。FBG传感器是一种微结构，其中折射率的周期性变化在光纤中形成，通常使用紫外线激光器。周期性的变化会产生光栅。光栅被调谐的意义是它将反射由光栅周期确定的特定波长的光。FBG传感器不易受到EMI的影响，并且由于其非导电性质而固有地被电隔离。

然而，在半导体器件中容易且可靠地安装FBG传感器仍然具有挑战性。例如，在传统的多芯片功率半导体器件中集成FBG传感器的现有方法，其使用引线结合和焊接方法是麻烦的。为了制造传统的多芯片功率半导体器件，将多个功率半导体芯片焊接到衬底(例如，直接结合的铜衬底)，然后将芯片引线结合到衬底。然后将几个这样的引线结合的衬底焊接到基板上，并互连。众所周知，FBG传感器可以通过一系列技术安装在芯片的顶表面上，例如通过粘合剂和灌封化合物固定或使用夹子来定位光纤。这样的安装方法是复杂的、耗时的，并且通常不会在FBG传感器和芯片之间提供可靠的连接。因此，迄今为止，FBG传感器尚未应用于大规模商业系统的传统多芯片功率半导体器件中。

在压力封装半导体器件中，部件之间的连接可以通过诸如焊接或烧结之类的结合技术来实现，或者可以通过相邻部件之间的直接压力接触来实现。在这两种情况下，该技术通常利用每个部件的高比例接触面积。因此，到本公开的日期为止，还没有用于将FBG传感器集成在压力封装半导体器件中的安装解决方案。

因此，期望提供一种用于在商业系统中操作期间监测半导体器件中的各个芯片温度的解决方案，该解决方案抵抗电磁干扰、固有地电隔离、最小化对器件设计和制造的修改，并且适合于器件内的任何芯片类型的组合。

本发明的目的之一是提供一种改进的半导体器件和在半导体器件中安装传感器的改进方法，其解决了与已知半导体器件和已知安装方法相关的问题，无论是否在本文中识别。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种半导体器件，包括：

至少一个半导体芯片，以及

热耦合到该至少一个半导体芯片的结构，其中，该结构包括位于该半导体器件内部的表面，并且该表面包括凹槽；以及

传感器，其包括穿过该凹槽的光纤，其中，该传感器被配置为感测该至少一个半导体芯片的温度。

有利地，凹槽确保半导体器件的快速组装处理，并且在制造过程中容易移除或更换光纤。在半导体器件的现有结构中添加凹槽不会给器件增加额外的材料(除了传感器)，这意味着成本差异减少或最小化。凹槽进一步减少或最小化对器件设计和制造的修改。此外，与表面安装方法相比，使用凹槽来容纳传感器的光纤使得半导体芯片和传感器之间的热传递特性更好，因为光纤在所有侧面上都被包围，因此热传递在所有方向上发生。对于表面安装方法，热传递可能只能在一个方向发生。

对于表达“位于半导体器件内部的表面”，其意思是该表面不暴露于半导体器件的外部，并且该表面被半导体器件的结构/元件覆盖或包围。换句话说，该表面是半导体器件的内部表面(或内表面)。

通过在器件的内部表面上形成凹槽，凹槽可以被放置在接近至少一个半导体芯片的位置，从而允许传感器监测各个芯片温度而不是整个半导体器件的平均温度。这有利地实现了器件潜力的最佳利用，并且还实现了使用该器件的功率电子系统的状态监测。此外，传感器包括光纤。这种类型的光学传感器抗电磁干扰(EMI)，本质上是电隔离的，适用于任何芯片类型的组合。此外，凹槽和光纤的布置减轻了传感器和安装解决方案对器件的热、机械和电气特性的影响。

因此，本公开的第一方面实现了对半导体器件内的各个芯片温度的改进的在线监测，而不管该至少一个半导体芯片的类型如何，同时需要对现有器件设计和制造进行最小化的修改。本公开在半导体器件以及更重要的是使用半导体器件的功率电子系统的健康监测方面提供了显著的优点，并且可以对于诸如海上风力或需要远程监测的其他应用的应用尤其有益。

术语“热耦合”包括在热耦合元件之间可能存在的一个或多个适于热传导的介入元件。

应当理解，“表面”可以是结构的连续表面的一部分。也就是说，结构的连续表面可以被半导体器件部分地覆盖或封闭，并且部分地暴露于半导体器件的外部。

“结构”可以是与至少一个半导体芯片热耦合的器件的任何适当的结构。

传感器还可以包括与光纤相关联的至少一个光学感测单元。

应当理解，可以适当地设计至少一个光学感测单元相对于至少一个半导体芯片的表面的特定位置，以便在器件的正常操作期间最佳地测量芯片温度。一般来说，半导体芯片的表面可能具有不均匀的温度分布，并且其表面可能具有最热点。因此，至少一个光学感测单元的特定位置可以分别与至少一个半导体芯片的最热点对准。通过表达“与…对准”，意味着当沿着垂直于结构表面的方向观察时，至少一个光学感测单元的位置和至少一个半导体芯片的最热点基本上重合。

该至少一个光学感测单元可以包括形成在光纤中的至少一个光栅。

半导体器件可以是功率半导体器件。

半导体器件还可以包括至少一种材料，该材料直接布置在至少一个半导体芯片和结构之间，其中该至少一种材料具有小于或等于15℃-mm²/W的热阻。

通过表达“之间紧挨着”，意味着除了布置在至少一个半导体芯片和结构之间的“至少一种材料”之外，没有其他东西。应当理解，至少一种材料设置在至少一个半导体芯片和结构之间的热路径中，因此有助于至少一个芯片和传感器之间的总热阻。

本公开中提到的热阻是至少一种材料的单位面积的热阻，并且还可以被称为热绝缘系数或R值。

该至少一种材料可以包括结合材料(例如，焊接/烧结材料)和/或布置在该至少一个半导体芯片和该结构之间的其他结构的材料。

至少一个半导体芯片和传感器之间的热阻可以包括至少一种材料的热阻和至少一种材质和传感器之间界面热阻。

传感器可以被配置为与凹槽形成过盈配合。

半导体器件可以被配置为使得至少一个半导体芯片和传感器之间的热阻小于或等于30℃-mm²/W。

更具体地，至少一个半导体芯片和至少一个光学感测单元之间的热阻可以小于或等于30℃-mm²/W。

传感器可以是光纤布拉格光栅传感器。

该至少一个半导体芯片可以包括多个半导体芯片。传感器可以包括与光纤相关联的多个光学感测单元。多个光学感测单元的位置可以与多个半导体芯片的位置对准，以便分别感测多个半导体芯片的局部温度。

每个半导体芯片和相应的一个光学感测单元之间的热阻可能小于或等于30℃-mm²/W。

应当理解，本公开中描述的热阻范围可以允许范围端点的规定值的变化程度，例如±20％。例如，15℃-mm²/W的规定极限可以是15*(1-20％)℃-mm²/W和15*(1+20％)℃-mm²/W之间的任何数字，而30℃-mm²/W的规定极限可以是30*(1-2％)℃-m²/W和30*(+20％)℃ mm²/W之间任何数字。

该结构可以是金属结构。

该结构可以是刚性结构。

因此，可能不容易使结构弯曲变形。因此，该结构可以保护传感器免受机械激励(应变)影响。这可能有助于提高传感器在热测量中的精度，特别是如果传感器具有固有的热机械交叉灵敏度。

半导体器件可以是压力封装功率半导体器件。

该结构可以包括压力封装功率半导体器件的外壳电极。

可替换地，该结构可以包括压力封装功率半导体器件的应变缓冲器。

该传感器可以位于至少一个半导体芯片的表面的大约2毫米内。

本公开中使用的术语“大约”或“约”表示该数值的变化程度(例如，20％)。

该结构可以包括基板。

该结构可以包括散热器。

该传感器可以包括围绕光纤的至少一部分的弹性护套。

传感器可以包括至少一个光学感测单元。该至少一个光学感测单元可以不被弹性护套覆盖。

该凹槽可以具有方形横截面形状。

或者，该凹槽可以包括两个相对的侧壁和连接两个侧壁的圆形壁。

该传感器可通过与凹槽的壁的摩擦而保持在凹槽内。

该传感器可以被配置为感测半导体器件的操作参数。操作参数可以包括由至少一个半导体芯片经历的应变、应力、磁场或电场中的一个或多个。

根据本公开的第二方面，提供了一种在半导体器件中安装传感器的方法，该半导体器件包括至少一个半导体芯片和结构以及传感器，该传感器包括光纤，其中，该传感器被配置为感测该至少一个半导体芯片的温度，该方法包括：

在该结构的表面处形成凹槽；

将该光纤插入该凹槽中；以及

将该结构热耦合到该至少一个半导体芯片，使得该表面位于该半导体器件的内部。

将光纤插入凹槽可以包括在光纤和凹槽之间形成过盈配合。

形成过盈配合可以包括压紧配合或收缩配合。

在适当的情况下，上文关于本公开的一个方面描述的任意可选特征可以应用于本公开的另一个方面。

附图说明

为了更充分地理解本公开，现在将参考附图以示例的方式描述本公开的多个实施例，其中：

图1是根据本公开第一实施例的半导体器件的示意图；

图2是半导体器件中使用的传感器的路径布局示意图；

图3是根据第一实施例的半导体器件的下部电极的局部平面图；

图4是根据第一实施例的半导体器件的局部剖视图；

图5是根据本公开第二实施例的半导体器件的下部电极的局部平面图；

图6是根据第二实施例的半导体器件的局部剖视图；

图7是根据本公开第三实施例的半导体器件的示意图；

图8是根据本公开第四实施例的半导体器件的示意图；

图9是根据本公开第五实施例的半导体器件的示意图；

图10是根据本公开第六实施例的半导体器件的示意图；

图11示意性地示出了在半导体器件中安装传感器的方法的处理步骤；

图12是半导体器件中使用的传感器的替代路径布局的示意图。

在附图中，相同的部件由相同的附图标记表示。

应当理解，附图仅用于说明目的，而不是按比例绘制的。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本公开第一实施例的半导体器件100(以下称为“器件”)的截面图。在该示例中，半导体器件100被实施为多芯片压力封装功率半导体器件。压力封装功率半导体器件是传统的隔离基极功率半导体器件的替代方案，其中功率半导体芯片通常被焊接在分别承载芯片的隔离衬底上，并且也被引线结合到衬底上。压力封装器件通常依靠外部夹持系统施加的力来与芯片接触，而不是在隔离基极器件中使用引线结合和焊点结合。

如图1所示，器件100包括上部电极1、下部电极2、上部应变缓冲器3、下部应变缓冲器4和多个功率半导体芯片5(以下称为“芯片”)。上部应变缓冲器3布置在芯片5的顶表面和上部电极1之间。下部应变缓冲器4布置在芯片5的底表面和下部电极2之间。上部电极1和下部电极2提供限定容纳芯片5的内部的外壳，因此也可以称为外壳电极。上部电极1和下部电极2通常由铜制成。上部应变缓冲器3和下部应变缓冲器4通常由钼制成。功率半导体芯片5可以由硅技术制成，或者可替代地可以基于其他类型的半导体，例如碳化硅、氮化镓或硅锗等制成。芯片5可以包括功率晶体管(例如IGBT、功率MOSFET、功率BJT)、功率二极管和功率晶闸管等中的一个或多个。通过将芯片5夹在电极1、2之间，芯片5电耦合到电极1、2中。芯片5还经由应变缓冲器3、4热耦合到电极1、2。

在器件100的操作期间，器件100加热和冷却，因此器件100的每个部件经历热膨胀和收缩。相邻部件热膨胀系数的差异会导致其接触表面的磨损(也称为“微动磨损”)。与硅和铜相比，硅和钼的热膨胀系数更为匹配。应变缓冲器3、4可用于降低芯片5的表面上的磨损速率。芯片5可银烧结(或以其他方式结合)到应变缓冲器3、4，以进一步降低微动磨损的风险并降低芯片5的热阻。干界面可以存在于上部电极1和上部应变缓冲器3之间，和/或下部电极2和下部应变缓冲器4之间。干界面意味着界面相对侧的元件通过压力耦合，并且元件之间没有结合材料。

器件100还包括盖凸缘6、外壳上部凸缘7、陶瓷圆柱体8和外壳下部凸缘9。这些部件在上部电极1和下部电极2之间形成气密连接。器件100的内部(其中容纳芯片5)通常充满氮气。

器件100还包括传感器16，传感器16设置在下部电极2的顶表面。如图1和图4所示，下部电极2的顶表面位于器件100的内部，并包括凹槽12。凹槽12可以是精密加工的凹槽。如图3和图4所示，传感器16包括穿过凹槽12的光纤13、与光纤13相关联的多个光学感测单元15和围绕光纤13的弹性护套14。然而，弹性护套14不覆盖光学感测单元。为了简单起见，图3仅示出一个光学感测单元15。

在一个示例中，传感器16是FBG传感器，并且每个光学感测单元是通过例如紫外线激光器形成在光纤13中的光栅。可以在沿着光纤13的预定位置处创建多个光栅。每个光栅的特性被定制以反射特定波长的光。如果各个光栅的特性被改变，例如，温度改变，则各个光栅的反射波长将改变。单个光纤中的不同光栅可以反射不同的波长。确定光栅的特性，使得当其反射波长随温度变化时，在预定的温度范围内反射波长不会重叠，从而允许各个光栅的响应彼此区分。预定温度范围可以是器件100的操作温度范围。应当理解，传感器16不限于FBG传感器，并且可以是任何合适类型的光学传感器。

光学感测单元15沿光纤13的位置被指定为当插入具有特定路径的凹槽(例如凹槽12)中时与器件100中芯片5上的选定测量点对准。通常，所选测量点可能是芯片5的预期最热点。芯片的最热点可能位于芯片5的中心或任何其他位置，具体取决于芯片5的设计。在图1的示例中，所选的测量点位于芯片5的中心，并且光学感测单元15位于芯片5的中心下方并与芯片5的中心对准。应当理解，术语“对准”意味着当沿着垂直于下部电极2的上表面的方向(例如，图1中的竖直方向)观察时，光学感测单元15的位置和芯片5上的选定测量点的位置基本一致。当光学感测单元15的位置与芯片5上的选定测量点对准时，光学感测单元15和选定测量点彼此最小地分离。以此方式，光学感测单元15和所选测量点之间的热阻被最小化。

图2示意性地示出了传感器16相对于芯片5的二维图案10的路径11。传感器16的光纤13沿着路径11。凹槽12的至少一部分也可以与路径11对准。如图2所示，路径11是一条连续的路径，它缠绕通过在二维图案10内的所有芯片5的中心。在芯片5上选定的测量点不在芯片5的中心的情况下，路径11可以相应地改变以缠绕通过芯片5上的选定测量点。可以理解，传感器16的路径11通常由器件100内的芯片5的图案10确定。如果使用不同的芯片图案，则传感器的路径可以相应地改变。

如图3和图4所示，提供弹性护套14以围绕两个相邻光学感测单元15之间的光纤13。弹性护套14可以是热缩套管。弹性护套14未放置在光学感测单元15上，以确保护套14不会干扰光学感测单元15的响应。作为光纤13和弹性护套14的组件，传感器16也可以被称为传感器组件。

在制造器件100的外壳电极期间，在下部电极2的内表面(例如，顶表面)处形成具有特定宽度、深度和路径的凹槽(例如，凹槽12)。凹槽12的宽度和深度可以等于传感器16的外径。传感器16被压入凹槽12中。传感器16和凹槽12的相似尺寸意味着实现过盈配合，从而通过与凹槽12的壁的摩擦将传感器16保持在凹槽内。此外，传感器16和凹槽12的相似尺寸还意味着传感器16直接接触下部应变缓冲器4的底表面。这对于改善从下部应变缓冲器4到传感器16的热传递是有用的。弹性护套14通过对凹槽尺寸的变化提供额外补偿以及增加传感器16和凹槽12的内部表面之间的摩擦，有助于压紧配合。

传感器16连接到馈通连接器的内部端口，该馈通连接器可以集成到陶瓷圆柱体8的壁中。馈通连接器也可以集成到外壳下部凸缘9中。馈通连接器允许器件100内部的传感器16与器件100外部的监测设备之间的通信。在传感器16安装在下部电极2中的情况下，如图1所示组装半导体器件100。可以理解，代替在下部电极2的壁上使用馈通连接器，传感器16可以穿过下部电极2的壁上的开孔，并通过一些其他方式固定在适当位置，例如粘合剂、模制聚合物、索环、夹子或任何其他合适的方法。

一旦器件100的组装过程已经完成，传感器16的温度响应可以被校准。在校准期间，监测系统可以连接到器件100。监测系统包括通常被称为询问器的硬件以及软件，硬件包括扫描激光源和能够捕获传感器16的光学感测单元15的响应的光电探测器，软件其允许识别和记录每个光栅的峰值波长(偏移)。例如，通过在烘箱中加热，将器件100的温度改变为限定值。监测系统用于测量和记录光学感测单元15在不同温度下反射波长的变化。通常，可以在器件100的预期操作温度范围内的多个温度下测量光学感测单元15的响应。根据数据，确定并记录光学感测单元15的温度和响应之间的关系，以供器件100的终端用户将来使用。

在典型的最终用户应用中，器件100将被组装在机械夹持系统中并连接到电子电路，这对于任何其他压力封装功率半导体器件来说都是正常的。与校准过程期间的情况一样，监测系统连接到器件100。监测系统负载有传感器16的校准数据。监测系统以预定频率连续询问光学感测单元15并记录其响应，从而使终端用户能够在操作期间监测各个传感器温度。数据的进一步处理可以由终端用户适当地确定。

在器件100中，通过在下部电极2的内部表面(即，下部电极2的顶表面)上形成凹槽12，传感器16设置在与芯片5非常接近的位置。在图1的示例中，传感器16位于与芯片5交互的下部应变缓冲器4的正下方，并且传感器16的感测单元15分别位于芯片5的表面的2mm内。该2mm距离远小于传感器16安装在器件100的外表面(例如，下部电极2的底表面或上部电极1的顶表面)上的情况。因此，传感器16与器件100内的芯片5的表面之间的短距离在感测单元15与芯片5之间提供了相对较低的热阻路径。与表面安装方法相比，凹槽安装方法进一步实现了芯片5与传感器16的感测单元5之间更好的传热特性。这是因为，如图4所示，光纤13的所有侧面都被凹槽12的三个壁和下部应变缓冲器4的底表面包围。因此，在所有方向上热传递到传感器16。相反，对于表面安装方法，热传递只能在一个方向上发生。

在下部应变缓冲器4为2mm厚且由钼制成的示例中，下部应变缓冲器的单位面积热阻约为14.5℃-mm²/W。单位面积热阻也可以称为热绝缘系数或R值。用于计算材料的单位面积热阻的公式被称为R＝L/k，其中L是材料的长度(例如，下应变缓冲器4的厚度)，k是材料的热导率。钼的k值约为138W/m-k。通过将单位面积热阻除以材料的横截面积，可以获得材料的绝对热阻(℃/W或K/W)。除非另有规定，本公开中使用的“热阻”是指单位面积热阻。如上所述，结合材料(例如，焊接/烧结材料)可以紧挨着芯片5和下部应变缓冲器4布置。结合材料通常具有非常低的热阻(例如，小于0.25℃-mm²/W)。结合材料以及下部应变缓冲器4的材料可统称为与芯片5和下部电极2“之间紧挨着的至少一种材料”。结合材料和下部应变缓冲器4的组合热阻小于或等于约15℃-mm²/W。

此外，在图1的示例中，下部应变缓冲器4和传感器16之间以及下部应变缓冲器4和下部电极2之间存在干界面。干界面的热阻可以通过实验确定，例如，根据干界面上施加的压力，干界面的热阻可以在13℃-mm²/W到15℃-mm²/W之间。因此，芯片5和传感器16的感测单元15之间的总热阻估计小于或约为30℃/W-mm²，并且热时间常数令人满意。

因此，由于芯片5和感测单元15之间的热阻相对较低，感测单元15所经历的温度大约等于放置在各个感测单元15上方的各个芯片5的温度。这样，传感器16能够在器件100的操作期间实时感测压力封装功率半导体器件100内的各个芯片5的温度(而不是整个器件100的平均温度)。这有利地使每个芯片15能够被单独地监控。

另一方面，传感器16的凹槽安装方法对器件100的热特性带来最小的影响，因为凹槽12或传感器16本身具有小的占地面积，并且它们对从芯片5到器件100外部的散热的影响几乎可以忽略不计。出于类似的原因，传感器16的凹槽安装方法对器件100的电气和机械特性的影响最小。热量和电流都经由外壳电极1、2流向芯片5或从芯片5流出。此外，夹持压力也经由外壳电极1、2加载到芯片5上。由于凹槽12的尺寸比下部电极2的尺寸小得多，因此凹槽12和传感器16基本上不会影响下部电极2施加的导电性和导热性或夹持压力。

与用粘合剂将传感器16固定到器件100相比，传感器16的凹槽安装方法还允许装置100的更快的组装处理。凹槽安装方法还允许在制造期间容易地移除或更换光纤13。将凹槽12添加到器件100的现有结构(例如，下部电极2)中不会为器件100增加额外的材料(除了传感器16)，这意味着成本上的差异最小，也不会增加器件100的额外重量和尺寸。对于许多电力应用，保持器件100的重量和尺寸是重要的。凹槽12进一步最小化对器件100的设计和制造的修改。

应当理解，可以省略弹性护套14。图5和图6示出了根据本公开第二实施例的半导体器件100A。如图5和图6所示，器件100A包括传感器16A。传感器16A包括光纤13和与光纤13相关联的光学感测单元15。为了简单起见，图5只显示了一个光学感测单元15。光纤13直接放置在凹槽12中，没有任何护套。器件100A在其他方面与第一实施例的器件100相同。省略弹性护套14可能需要以比使用弹性护套时更高的精度形成凹槽12。这是因为光纤13(通常由玻璃制成)和下部电极2的材料(通常为铜)是相对不可压缩的，这意味着尺寸偏差不太容易被补偿。可替代地，具有固有依从性的特殊光纤可以在没有弹性护套14的情况下被使用，并且在凹槽12的制造中没有额外的精度。

如图4和图6所示，凹槽12具有方形横截面形状。凹槽12可以具有不同的横截面轮廓。例如，凹槽可以包括两个相对的竖直侧壁和连接两个侧壁的圆形底壁。圆形底壁可以具有与光纤13的形状匹配的形状，以便增加接触面积并进一步改善下部电极2和光纤13之间的热传递。

凹槽12可以被指定为名义上小于传感器16或16A的直径。凹槽12和传感器16或16A之间的过盈配合可以通过收缩配合过程实现。在收缩配合过程中，包括凹槽12的结构(例如，下部电极2或下面描述的其他结构)可以被加热以使其自身膨胀，或者传感器16或16A可以被冷却以使其本身收缩。当结构和传感器达到共同温度时，将在它们之间进行可靠的过盈配合。

在传感器16或16A与凹槽12之间产生过盈配合提供了几个优点。首先，与使用粘合剂或灌封化合物将FBG传感器固定到芯片表面的已知方法不同，传感器16或16A被紧密地装配到凹槽12中，但不被固定或约束。当凹槽12的壁向传感器施加压力时，可以通过在开始测量之前在传感器校准期间重置波长基线来消除压力引起的机械应变效应。因此，传感器16或16A的固有热机械交叉灵敏度不会引起温度测量的明显误差。其次，传感器与凹槽12之间的过盈配合允许传感器直接接触凹槽12的壁，从而改善传感器与芯片5之间的热传递，并提高温度测量的精度。第三，过盈配合允许凹槽12具有相对较小的轮廓，并因此确保凹槽安装方法对器件的电、热和机械特性带来最小的影响。

虽然图1示出了容纳传感器16的凹槽12形成在下部电极2的内部表面，但是可以理解，传感器16可以安装在器件内的替代位置。

例如，图7示出了多芯片压力封装功率半导体器件100B，其中在下部应变缓冲器4的顶表面处形成凹槽，并且在凹槽内提供了与传感器16或16A相同的传感器16B，以接触芯片5的底表面。

图8示出了多芯片压力封装功率半导体器件100C，其中在上部应变缓冲器3的底表面处设置凹槽，在凹槽内设置与传感器16或16A相同的传感器16C，以接触芯片5的上表面。

图9示出了多芯片压力封装功率半导体器件100D，其中在下部应变缓冲器4的底表面处设置了凹槽，并且在凹槽内设置了与传感器16或16A相同的传感器16D。

此外，图10示出了多芯片压力封装功率半导体器件100E，在上部电极1的底表面上设置了凹槽，在凹槽内设置了与传感器16或16A相同的传感器16E。

下部应变缓冲器4的顶/底表面、上部应变缓冲器3的顶/底表面以及下部电极2的顶表面和上部电极1的底表面都位于器件100、100B-100E的内部，因此是器件100、100、100B、100E的内部表面。

因此，本发明提供了一种新颖的安装解决方案，其允许温度传感器16-16E(例如，FBG传感器)安装在多芯片压力封装功率半导体器件100-100E内部，位置接近或甚至接触芯片5。该安装解决方案允许传感器在压力封装功率半导体器件的操作期间实时监测压力封装功率半导体器件内的各个芯片的局部温度。在本公开之前，还没有实现将局部温度监测结合到压力封装功率半导体器件中。

在如图1和7-10所示的多芯片压力封装功率半导体器件100-100E中，外壳电极1、2用作施加压力的手段。或者，可以使用不同的施加压力的手段，例如弹簧机构。

图11示意性地示出了用于在半导体器件(例如，器件100-100E中的任何一个)中安装传感器(例如，传感器16-16E中的任意一个)的方法的处理步骤。半导体器件包括至少一个半导体芯片(例如，芯片5)和结构(例如，外壳电极1、2和应变缓冲器3、4中的任何一个)。传感器包括光纤(例如光纤13)。该传感器是温度传感器。

在步骤S1，在结构的表面处形成凹槽(例如，凹槽12)。凹槽可以是精密加工的凹槽。

在步骤S2，将光纤插入凹槽中。将光纤插入凹槽可包括在光纤和凹槽之间形成过盈配合。过盈配合可以通过例如如上所述的压紧配合或收缩配合来实现。

在步骤S3，将该结构热耦合到至少一个半导体芯片，使得该表面位于半导体器件的内部。以此方式，传感器被放置在接近或甚至接触至少一个半导体芯片的位置，因此能够监测半导体器件内的各个芯片温度。

虽然图1和图7至图10涉及多芯片压力封装功率半导体器件，但应理解，传感器的凹槽安装方法同样可用于单芯片压力封装电源半导体器件，例如晶闸管、二极管和晶体管。在这些器件中，传感器16-16E可用于测量器件内单个点处的单个芯片的温度，或多个不同位置处的单个晶片的温度。

传感器的凹槽安装方法也可用于其他类型的功率半导体器件，例如传统的塑料功率半导体模块或双面结合模块。例如，类似于凹槽12的凹槽可以形成在传统塑料功率半导体模块的直接结合铜(DBC)衬底或金属基板的内部表面处，或者形成在通常与该类型模块一起使用的散热器的内部表面。温度传感器16-16E可以安装在凹槽内，以测量单个位置或多个位置的温度。双面结合模块在芯片的任一侧具有焊接或烧结接头，以便将芯片夹在两个衬底(例如，两个DBC衬底)之间。类似于凹槽12的凹槽可以形成在任一衬底的内部表面处。温度传感器16-16E可以安装在凹槽内，以测量单个位置或多个位置的温度。由于传感器16-16E由玻璃制成，因此能够承受典型的焊接或烧结温度。

其中形成凹槽的模块的确切结构可以在考虑诸如导热率、比热和密度等材料特性的情况下确定，以便在芯片和传感器16-16E的感测单元15之间实现小于或等于约30℃-mm²/W的热阻。更优选地，期望紧挨着芯片和形成凹槽的精确结构布置的至少一种材料具有小于或等于约15℃-mm²/W的热阻。以此方式，感测单元15将能够监测模块内各个芯片的局部温度，而不是模块的平均温度。

一般来说，热阻可以通过如上所述的计算或通过使用软件包(如ANSYS)中的有限元分析技术的模拟来确定，或者可以通过实验来测量，所有这些都是本领域中常见的客观程序。例如，可以通过检测材料/结构的两个限定表面之间的温度差并将该温度差除以施加到材料/结构上的单位面积功率来测量材料/结构中的热阻。

还应理解，传感器16-16E的凹槽安装方法可用于任何类型的半导体器件。

如上所述，传感器16-16E可以是FBG传感器。FBG传感器还可用于监测半导体器件的其他操作参数，例如器件中的芯片5所经历的应变、应力、磁场和/或电场。因此，可以使用传感器16-16E来监测除温度之外的任何这些操作参数。

图1和图2示出了在器件100内使用缠绕通过芯片的单个传感器16。可以理解，可以在单个器件内使用多个传感器。图12示出了关于芯片5的二维图案10的两个传感器的两个路径11a、11b。一个传感器的光纤遵循路径11a，另一传感器的光纤遵循路径11b。比较图2和图12，可以理解，如果使用多个传感器，它们的路径将相应地改变。

术语“具有”、“包含”、“包括”、“组成”等是开放性的，这些术语表示存在所述结构、元件或特征，但不排除存在其他元件或特征。除非上下文另有明确规定，否则“一”、“一个”和“该”应包括复数和单数。

本领域技术人员将理解，在前面的描述和所附权利要求中，诸如“上部”、“下部”、“顶”、“底”、“下面”、“竖直”等的位置术语是参照半导体器件的概念性图示来定义的，例如示出标准布局平面图的那些以及附图中所示的那些。这些术语是为了方便参考而使用的，但不旨在具有限制性。因此，这些术语应理解为当处于如附图所示的取向时参考半导体器件。

尽管已经根据如上所述的优选实施例描述了本发明，但是应当理解，这些实施例仅是说明性的，并且权利要求不限于这些实施例。本领域技术人员将能够考虑到对预期落入所附权利要求的范围内的公开内容进行修改和替换。本说明书中公开或示出的每个特征可以单独或以与本文中公开或图示的任何其他特征的任何适当组合结合在本发明中。

Claims (21)

1.一种半导体器件，包括：

至少一个半导体芯片，以及

热耦合到所述至少一个半导体芯片的结构，其中，所述结构包括位于所述半导体器件内部的表面，并且所述表面包括凹槽；以及

传感器，其包括穿过所述凹槽的光纤，其中，所述传感器被配置为感测所述至少一个半导体芯片的温度。

2.根据权利要求1所述的半导体器件，还包括直接布置在所述至少一个半导体芯片和所述结构之间的至少一种材料，其中，所述至少一种材料具有小于或等于15℃-mm²/W的热阻。

3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中，所述传感器是光纤布拉格光栅传感器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中：

所述至少一个半导体芯片包括多个半导体芯片；

所述传感器包括与所述光纤相关联的多个光学感测单元，以及

所述多个光学感测单元的位置与所述多个半导体芯片的位置对准，以便分别感测所述多个半导体芯片的局部温度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中，所述结构是金属结构。

6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中，所述结构是刚性结构。

7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中，所述半导体器件是压力封装功率半导体器件。

8.根据权利要求7所述的半导体器件，其中，所述结构包括所述压力封装功率半导体器件的外壳电极。

9.根据权利要求7所述的半导体器件，其中，所述结构包括所述压力封装功率半导体器件的应变缓冲器。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的半导体器件，其中，所述传感器位于所述至少一个半导体芯片的表面的约2毫米内。

11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中，所述结构包括基板。

12.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中，所述结构包括散热器。

13.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中，所述传感器包括围绕所述光纤的至少一部分的弹性护套。

14.根据权利要求13所述的半导体器件，其中，所述传感器包括至少一个光学感测单元，并且所述至少一个光学感测单元不被所述弹性护套覆盖。

15.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中，所述凹槽具有方形横截面形状。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的半导体器件，其中，所述凹槽包括两个相对的侧壁和连接两个侧壁的圆形壁。

17.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中，所述传感器通过与所述凹槽的壁的摩擦而保持在该凹槽内。

18.根据前述权利要求中任一项所述的半导体器件，其中，所述传感器被配置为感测所述半导体器件的操作参数，所述操作参数包括由所述至少一个半导体芯片经历的应变、应力、磁场或电场中的一个或多个。

19.一种在半导体器件中安装传感器的方法，所述半导体器件包括至少一个半导体芯片和结构，所述传感器包括光纤，其中，所述传感器被配置为感测所述至少一个半导体芯片的温度，该方法包括：

在所述结构的表面处形成凹槽；

将所述光纤插入所述凹槽中；以及

将所述结构热耦合到所述至少一个半导体芯片，使得所述表面位于所述半导体器件的内部。

20.根据权利要求19所述的在半导体器件中安装传感器的方法，其中，将所述光纤插入所述凹槽中包括在所述光纤和所述凹槽之间形成过盈配合。

21.根据权利要求20所述的在半导体器件中安装传感器的方法，其中，形成过盈配合包括压紧配合或收缩配合。

Images