CN117256042A - 半导体功率模块、用于制造半导体功率模块的方法 - Google Patents

半导体功率模块、用于制造半导体功率模块的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于半导体器件的半导体功率模块(10)，包括引线框或衬底(4)，以及耦接到引线框或衬底(4)的树脂体。树脂体至少包含第一树脂元件(1)和第二树脂元件(2)，其中，第一树脂元件的树脂材料(1)不同于第二树脂元件的树脂材料。树脂元件(1，2)配置为使得它们通过凹部(5，6)相对于彼此面对的表面区域至少部分地分离。

Description

半导体功率模块、用于制造半导体功率模块的方法
技术领域
本公开涉及半导体功率模块和用于制造半导体器件的半导体功率模块的方法。本公开还涉及相应的半导体器件。
背景技术
文献US2013/010400A1公开了一种功率模块及其制造方法，该功率模块是为了易于制造和减少焊接部分疲劳而发明的。该功率模块包括通过焊接安装电子部件的衬底，以及模制外壳，该模制外壳容纳衬底并包括用于与外部设备电连接的母线。
文献US2019/157190 A1公开了一种半导体器件封装，包括引线框、安装在引线框第一部分上的第一包封功率半导体器件和安装在引线框第二部分上的第二包封功率半导体器件。
用于低电压应用的小型集成电路包封的常用技术是传递模制，其中芯片连接到引线框或衬底并被包封在封装体中。因此，必须选择非常适合的模制化合物来满足特定的要求，这些要求可能相互矛盾。在这方面，提供具有可靠功能的机械稳定的功率封装是一项挑战。
发明内容
本公开的实施例涉及一种具有可靠功能的机械稳定的半导体功率模块，其有助于提高模块寿命。本公开的实施例还涉及相应的半导体器件和用于这种半导体功率模块的制造方法。
这些目的是通过独立权利要求的主题来实现的。在相应的从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。
根据实施例，一种用于半导体器件的半导体功率模块包括引线框或衬底以及耦接到该引线框或衬底的树脂体。树脂体包括至少第一树脂元件和第二树脂元件，其中第一树脂元件的树脂材料不同于第二树脂元素的树脂材料。第一树脂元件和第二树脂元件相对于半导体功率模块的横向方向彼此横向相邻地布置。此外，第一树脂元件和第二树脂元件通过凹部相对于彼此面对的表面区域至少部分地分离。这样的凹部可以形成为树脂元件之间的穿透间隙，使得彼此面对的整个表面区域彼此分离。可替代地，凹部可以形成为凹槽，使得彼此面对的表面区域的预定部分彼此分离。间隙和/或凹槽相对于半导体功率模块的横向方向可以具有0.5mm或更大的宽度。
通过使用所描述的结构，半导体功率模块是可行的，即使在高压功率模块应用中使用，例如在至少0.5kV的电压下，也能够实现可靠的功能和增强的模块寿命。特别引入的一个或多个凹部在树脂密封的半导体功率封装的不同树脂材料的几个部分之间形成应力消除结构。
引线框或衬底被配置为在芯片封装内部实现可焊接的金属结构，例如，该结构将信号从裸芯传送到外部。它还可以作为芯片、集成电路和/或其他分立器件的给定布置的机械支撑。树脂元件相对于垂直于横跨半导体功率模块的主延伸平面的横向方向的堆叠方向形成在引线框或衬底的上表面上。
根据半导体功率模块的实施例，第一树脂元件或第二树脂元件的树脂材料中的至少一者包括热固性树脂。可替代地或附加地，第一树脂元件或第二树脂元件的树脂材料中的至少一者包括灌封树脂。
树脂元件可以实现各自的包封，并且所描述的半导体功率模块可以使用安装到基板的框架来制造，其中根据树脂体的结构填充例如介电凝胶或灌封树脂，以形成第一和/或第二树脂元件。所描述的半导体功率模块适用于例如汽车应用，并且可以包括以下中的一者或多者：
·边长高达80mm、主体厚度超过10mm的大型封装或树脂体；
·由厚铜制成的功率端子；
·绝缘衬底和散热器(其背面通常暴露在封装体之外)的包封；
·高电流和高电压(部分高于1kV)；
·密封安装到用于液体冷却的冷却器；
·恶劣的环境条件，例如在汽车应用中。
根据另一实施例，半导体功率模块包括至少一个凹部内的填充物或涂层中的至少一者，以填充穿透间隙或凹槽，或者覆盖限制间隙或凹槽的第一和/或第二树脂元件的表面区域。这种填充物或涂层可以包括弹性和/或保护性材料，例如防水材料，以提高树脂体和半导体功率模块对湿度或危险气体的密封性。
所描述的半导体功率模块的树脂体还可以包括具有不同于第一树脂元件或第二树脂元件中的至少一者的树脂材料的树脂材料，该第二树脂元件和该第三树脂元件分别相对于彼此面对的表面区域至少部分地分离。
结合本公开认识到，常规功率封装通常具有通过由一种单一模制化合物制成的均质模制主体的传递模制制备的包封。鉴于传递模制功率封装的尺寸相对较大，可能难以满足不同地方对封装材料最佳性能的要求。因此，功率封装的某些区域，如芯片或端子附近，对于包封材料的机械和热机械性能或介电强度等特定要求，显然比其他封装部件更为关键。
根据所描述的半导体功率模块，为了改善机械性能，通过使用两种或更多种模制化合物或其他树脂材料(如具有不同材料特性的灌封树脂)来制造由树脂体实现的包封。根据第一、第二和/或第三树脂元件的预定形成，可以根据特定的局部要求选择几种类型的树脂材料。
结合本公开进一步认识到，在一个大的封装体中实施几种树脂材料可能导致附加的问题。例如，当通过传递模制或其他工艺(如灌封)由两种或多种不同的模制化合物或树脂材料制备大型封装体时，这些不同材料的部分将粘附在一起。特别是，如果不同树脂或模制材料的几个部件沿横向排列并相互粘附，则在密封的树脂体中将存在强烈的机械或热机械应力。这种应力特别发生在不同材料段的界面上，并且可能导致封装体的强烈弯曲，或者甚至可能对封装造成机械损伤，例如空隙或裂纹，或者甚至在制造工艺之后导致封装内部的损坏。
通过使用所描述的半导体功率模块的结构和有意引入的凹部，至少有可能防止或抵消这些不利影响。在两个相邻的树脂元件之间形成的凹部能够抑制或至少减少在例如由几种材料组成的大的树脂密封封装体中生成的应力。
附加地，考虑到其模块运行，例如在热循环期间，树脂体和半导体功率模块作为一个整体的热机械性能可以得到改善。
根据实施例，半导体器件包括所描述的半导体功率模块的实施例，该半导体功率模块还包括耦接到引线框或衬底的一个或多个端子连接件，以及与至少一个端子连接件耦接的电子件。
半导体功率器件还可以包括散热器，该散热器与引线框或衬底耦接以在运行期间散热。此外，半导体功率器件可以包括上述半导体功率模块的两个或多个实施例。电子件可以包括芯片、集成电路和/或其他分立器件。
根据实施例，一种用于制造所描述的半导体功率模块的实施例的方法包括提供引线框或衬底，以及形成耦接到引线框或衬底的树脂体，其中该树脂体包括至少第一树脂元件和第二树脂元件，并且该第一树脂元件的树脂材料不同于该第二树脂元素的树脂材料。第一树脂元件和第二树脂元件形成为使得它们相对于彼此面对的表面区域通过凹部至少部分地分离。
形成树脂体可以包括提供模制化合物树脂形式的物质，并将所提供的物质施加在引线框或衬底上，从而通过模制形成第一树脂元件或第二树脂元件中的至少一者。模制过程可以包括传递模制、注射模制和/或压缩模制。
可替代地，形成树脂体可以包括提供灌封树脂形式的物质，并将所提供的物质施加在引线框或衬底上，从而通过灌封形成第一树脂元件和/或第二树脂元件。可替代地，一个或多个树脂元件可以通过灌封形成，而另一个或更多个树脂元件可以通过模制形成。
两个树脂元件之间的凹部可以根据这些元件之间的预定间隔或它们的界面区域来形成。因而，例如，在模制或灌封树脂元件期间，由于特定的制造工具，可以提供形成为穿透间隙或部分凹槽的凹部。
根据该方法的另一实施例，形成树脂体包括随后形成至少一个凹部。因而，在形成第一树脂元件和第二树脂元件之后，可以通过切割、锯切和/或铣削中的至少一者机械地形成穿透间隙或凹槽的凹部。可替代地，可以通过激光切割以热的方式形成凹部。可替代地，可以通过激光切割以热的方式形成凹部。可替代地，可以通过蚀刻以化学方式形成凹部。上述形成过程还可以包括例如通过激光切割形成一个凹部并通过蚀刻形成另一个凹部。
由于所描述的半导体功率器件和所描述的制造方法包括或涉及生产半导体功率模块的实施例，所以还公开了与半导体功率器件有关的半导体功率模块的所描述的特征和特性以及制造方法，反之亦然。
附图说明
以下借助于示意图和附图标记来解释示例性实施例。在附图中：
图1示出了半导体功率模块的实施例的透视图；
图2示出了制造半导体功率模块的实施例的制造位置的各自的侧视图；
图3示出了半导体功率模块的另一实施例的侧视图；以及
图4示出了半导体功率模块实施例的制造方法的流程图。
附图是为了提供进一步的了解。应当理解，图中显示的实施例是说明性表示，并且不一定按比例绘制。相同的附图标记表示具有相同功能的元件或部件。只要元件或组件在图中的功能方面彼此对应，就不对以下各图重复其描述。为了清楚起见，元件可能不以对应的参考符号出现在所有附图中。
具体实施方式
图1示出了用于半导体器件的半导体功率模块10的实施例的透视图。半导体功率模块1包括引线框或衬底4，以及耦接到引线框或衬底4的树脂体。树脂体形成用于电子件的外壳，并且包括至少第一树脂元件1和第二树脂元件2。第一树脂元件1的树脂材料不同于第二树脂元件2的树脂材料，并且树脂元件1和树脂元件2被配置为使得它们相对于彼此面对的表面区域通过凹部至少部分地分离。
半导体功率模块10还包括多个第一端子连接件11和第二端子连接件12，其使得能够电接入由树脂体嵌入或覆盖的电子件。端子连接件11和端子连接件12被耦接到引线框或衬底4。电子件可以包括芯片、集成电路和/或其他分立器件。半导体功率模块10的主延伸平面由横向方向B和C跨越，横向方向B与C彼此垂直并相对于堆叠方向A垂直定向(参见图2和图3)。
图2分别显示了用于制造半导体功率模块10的实施例的制造位置的侧视图。相应的制造方法的步骤可以遵循如图4所示的流程图。在步骤S1中，提供引线框或衬底4。
在步骤S2中，形成树脂体并将其耦接到引线框或衬底4。根据图2的树脂体包括三个树脂元件，第一树脂元件1、第二树脂元件2和第三树脂元件3。所有的树脂元件1、2、3包括不同的树脂材料。如图2的上部所示，树脂元件1、2和3相对于横向方向B、C彼此相邻地形成。
有鉴于此，本公开认识到，如果不同树脂材料的几个部分彼此相邻地布置，则它们可以彼此粘附，并在密封树脂体中引起机械或热机械应力。这样的应力尤其发生在树脂元件1、2和3的彼此面对的界面或表面区域上。根据图2的上部，这将应用第一树脂元件1和第二树脂元件2之间以及第二树脂元件2和第三树脂元件3之间的界面。
为了防止半导体功率模块10的弯曲，或者甚至防止对树脂体的包封的机械损伤，例如空隙或裂纹，在步骤S3中，在相邻的树脂元件1、2和3之间特别引入各自的凹部，以减小接触面积并形成应力消除结构。这样的凹部可以形成为穿透间隙5，如第一树脂元件1和第二树脂元件2之间所示，或者形成为凹槽6，如第二树脂元件2和第三树脂元件3之间所示(参见图2的下部，其示出了在树脂材料边界上实现间隙5和凹槽6的实现方式)。间隙5向上延伸到引线框或衬底4的上表面，使得彼此面对的整个表面区域彼此分离。凹槽6形成为使得彼此面对的表面区域的预定部分彼此分离。
附加地，在步骤S4中，可以用给定的填充物7填充间隙5和/或用给定的涂层8涂覆凹槽6，以进一步有助于降低机械应力并改善半导体功率模块10的功能和模块寿命(参见图3)。
形成树脂体的步骤S2可以包括提供模制化合物树脂形式的物质，并将所提供的物质施加在引线框或衬底4上，从而通过模制形成第一树脂元件1、第二树脂元件2和第三树脂元件3中的一个或多个。
可替代地，步骤S2可以包括提供灌封树脂形式的物质，并将所提供的物质施加在引线框或衬底4上，从而通过灌封形成第一树脂元件1、第二树脂元件2和第三树脂元件3中的一个或多个。
在树脂元件1、2和3之间形成一个或多个凹部的步骤S3可以包括通过切割、锯切和/或铣削机械形成间隙5和/或凹槽6。可替代地或附加地，步骤S3可以包括通过激光切割热形成间隙5和/或凹槽6。可替代地或附加地，步骤S3可以包括通过蚀刻化学形成间隙5和/或凹槽6。
例如，引入了两种或多种具有不同材料特性的模制化合物或其他树脂类型用于包封大型树脂密封功率封装。因此，可以相对于树脂元件1、2和3的特定局部要求来选择几种类型的模制化合物或其它树脂类型，如灌封树脂。具有由不同模制化合物和/或其他树脂材料制成的树脂体的树脂密封半导体功率模块10的制造可以在基于传递模制和/或诸如灌封的其他包封技术的两个或多个工艺步骤的顺序制造工艺中完成。
为了减少发生在由不同树脂材料的几个部分组成的树脂体上的机械和热机械应力，树脂元件1、2和3至少部分地彼此机械、热和/或化学分离。
可以在不同的横向布置的树脂元件1、2和3的界面处引入用作应力消除结构的间隙5。这些间隙5可以沿着两个树脂元件1、2和3之间的完整边界可用。可替代地，可以形成凹部以实现凹槽6，从而实现两个树脂元件1、2和3之间的部分地分离。用于应力消除的间隙5的深度可以具有根据树脂体的整个厚度的深度，或者可以施加更小的深度。该实现方式可以通过不同的可能的制造方法来实现。
不同的树脂元件1、2和3通常横向布置在引线框或衬底4上。可替代地，树脂元件1、2和3可以布置在衬底上，或者布置在基板上。树脂元件1、2和3可以分别包括具有不同材料特性的热固性树脂或灌封树脂。因此，例如，一些树脂元件1、2和3可以通过其他制造工艺来制备，而不是传递模制。因此，树脂体中心的第二树脂元件2可以在制备外部第一树脂元件1和第三树脂元件3之后通过类似于堤坝和填充工艺的传递模制由灌封树脂制备。
然而，包括不同材料的单个树脂元件1、2和3通过有意实现的间隙5或凹槽6至少部分地彼此分离。间隙5和/或凹槽6的宽度相对于横向方向B和/或C可以在0.5mm或更大的范围内。因而，间隙5或凹槽6也可以部分地沿着横向方向B延伸，部分地沿着纵向方向C延伸，例如，相对于沿着堆叠方向A的俯视图形成L形。为了提高树脂体和半导体功率模块10对湿度或有害气体的密封性，引入的间隙5或凹槽6可以由弹性和/或保护性材料(例如防水材料)填充或涂覆。
根据半导体功率模块10的实施例，树脂体和树脂元件1、2和3可以仅由不同的模制化合物或仅由不同的灌封化合物组成，或者可以替代地由不同的材料类型组成。此外，用于形成各个树脂元件1、2或3的树脂材料可以从材料特性和机械特性的角度来选择，例如模制化合物和/或填充材料的粘附性。还可以考虑树脂材料的电特性，如压敏电阻的填充、介电强度、介电常数或比较跟踪指数(CTI值)。可替代地或附加地，树脂材料可以从保护特性的角度来选择，例如改进的湿度保护或对有害气体或化学惰性的保护。
树脂体的所描述的结构和实施例使得能够制备相对大的树脂密封的半导体功率模块10。根据当地要求，可以为计划的树脂元件1、2和3选择当地最佳的树脂材料。所描述的应力消除结构的实现方式有助于减少机械和热机械应力，并因此减少树脂体的弯曲。
此外，半导体功率模块10可以包括以下优点中的一个或多个：
·提高了制造工艺中的处理；
·提高了制造工艺中的产量；
·由于热循环的可靠性提高，模块运行寿命更长；
·由于减少了衬底或基板或引线框弯曲结构，提高了热界面性能；
·在根据客户应用实施相应的功率封装时，问题较少，例如，将具有针翅式基板的半导体功率模块10密封安装到用于液体冷却的冷却器。
如图1至图4所示或描述的实施例代表了改进的半导体功率模块10的示例性实施例和制造方法；因此，它们并不构成所有实施例的完整列表。实际的布置和方法可以与例如在半导体功率模块方面示出的实施例不同。
附图标记
1第一树脂元件
2第二树脂元件
3第三树脂元件
4引线框/衬底
5穿透间隙
6凹槽
7填充物
8涂层
10 半导体功率模块
11 第一端子连接件
12 第二端子连接件
A堆叠方向
B横向方向
C横向方向
S(i)半导体功率模块的方制造法的步骤

Claims (14)

1.一种半导体功率模块(10)，其包括：
引线框或衬底(4)，以及
耦接到所述引线框或衬底(4)的树脂体，所述树脂体包括至少第一树脂元件(1)和第二树脂元件(2)，其中所述第一树脂元件和第二树脂元件(1，2)相对于所述半导体功率模块(10)的横向方向(B，C)彼此横向相邻地布置，并且其中所述第一树脂元件(1)的树脂材料不同于所述第二树脂元件(2)的树脂材料，并且其中所述第一树脂元件(1)和所述第二树脂单元(2)通过以凹槽形式的凹部(5，6)相对于彼此面对的表面区域至少部分地分离，以在所述第一树脂元件和第二树脂元件(1，2)之间提供至少部分的自由空间。
2.根据权利要求1所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一树脂元件(1)的树脂材料或所述第二树脂元件(2)的树脂材料中的至少一者包括热固性树脂。
3.根据权利要求1或2所述的半导体功率模块(10)，其中，所述第一树脂元件(1)的树脂材料或所述第二树脂元件(2)的树脂材料中的至少一者包括灌封树脂。
4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述凹部形成为穿透凹槽(5)，使得彼此面对的整个表面区域彼此分离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述穿透凹槽(5)或所述凹槽(6)中的至少一者相对于所述半导体功率模块(10)的横向方向(B，C)具有0.5mm或更大的宽度。
6.根据权利要求4至5中任一项所述的半导体功率模块(10)，包括在所述穿透凹槽(5)或所述凹槽(6)的至少一者内部的填充物(7)或涂层(8)中的至少一者。
7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述树脂体进一步包括第三树脂元件(3)，所述第三树脂元件(3)具有与所述第一树脂元件(1)或所述第二树脂元件(2)中的至少一者的树脂材料不同的树脂材料，所述第二树脂元件(2)和所述第三树脂元件(3)都分别通过凹部相对于彼此面对的表面区域至少部分地分离。
8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，进一步包括耦接到所述引线框或衬底(4)的端子连接件(11，12)，以及
电子件，所述电子件与所述端子连接件(11、12)中的至少一者耦接。
9.一种用于制造根据权利要求1至8中任一项所述的半导体功率模块(10)的方法，其包括：
提供引线框或衬底(4)，以及
形成耦接到所述引线框或所述衬底(4)的树脂体，其中所述树脂体包括至少第一树脂元件(1)和第二树脂元件(2)，其中所述第一树脂元件和第二树脂元件(1，2)相对于所述半导体功率模块(10)的横向方向(B，C)彼此横向相邻地布置，并且其中所述第一树脂元件(1)的树脂材料不同于所述第二树脂元件(2)的树脂材料，并且其中所述第一树脂元件(1)和所述第二树脂元件(2)通过凹槽形式的凹部(5，6)相对于彼此面对的表面区域至少部分地分离，以在所述第一树脂元件(1)和所述第二树脂元件(2)之间提供至少部分的自由空间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中形成所述树脂体的步骤包括：
提供模制化合物树脂形式的物质，以及
将所提供的物质施加在所述引线框或衬底(4)上，从而通过传递模制、注射模制和/或压缩模制形成所述第一树脂元件(1)和/或所述第二树脂元件(2)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述形成所述树脂体包括：
提供灌封树脂形式的物质，以及
将所提供的物质施加在所述引线框或衬底(4)上，从而通过灌封形成所述第一树脂元件(1)或所述第二树脂元件(2)中的至少一者。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述形成所述树脂体包括：
在形成所述第一树脂元件(1)和所述第二树脂元件(2)之后，通过切割、锯切或铣削中的至少一者，将所述凹部机械地形成为穿透凹槽(5)或凹槽(6)的形式。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中所述形成所述树脂体包括：
在形成所述第一树脂元件(1)和所述第二树脂元件(2)之后，通过激光切割将所述凹部热形成为穿透凹槽(5)或凹槽(6)的形式。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中所述形成所述树脂体包括：
在形成所述第一树脂元件(1)和所述第二树脂元件(2)之后，通过蚀刻将所述凹部化学形成为穿透凹槽(5)或凹槽(6)的形式。
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