CN219040456U - 功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
公开了一种功率半导体模块，包括：基板；宽带隙材料裸芯，包括附接至基板的宽带隙材料裸芯中的多个半导体电路的阵列，其中，半导体电路通过边缘终止区彼此间隔开；金属预制件，压靠在多个半导体电路中的每个半导体电路上，以电接触多个半导体电路中的每个半导体电路，并且适于在被过电流加热时形成通过宽带隙材料裸芯的至少临时导电路径，其中，半导体电路通过基板和金属预制件并联连接。
Description
技术领域
本申请涉及功率半导体器件领域。特别地，本申请涉及用于这些器件的功率半导体模块。
背景技术
本节提供与本公开相关的背景信息，但是该背景信息不必要是现有技术。
诸如转换器、电驱动器等的功率半导体器件通常由多个功率半导体模块组装而成，每个功率半导体模块机械连接和电连接一个或多个功率半导体元件。在高压DC(HVDC)应用中，通常需要串联多个功率半导体模块，以满足高电压和大电流要求。在发生故障时永久导通的功率半导体模块在这种串联连接中可能具有很大优势，因为其余模块可以共享阻断电压。这种操作被称作为短路故障模式(SCFM)。一种能够实现SCFM的现有封装技术是压装技术，其例如针对晶闸管和GTO(栅极可关断晶闸管)和IGCT(集成栅极换向晶闸管)和IGBT(绝缘栅双极晶体管)开发，因为它们可以很容易地进行电气和机械串联。在具有基于Si(硅)的半导体元件的半导体模块中，金属预制件可以形成在 Si芯片的电极上，其适于与芯片的Si材料形成低熔点共晶合金，并产生导电路径以承载通过故障点的全电流负载。例如，Si和Al(铝)在相对低温(577℃)下的共晶反应能够实现这种固有故障补偿。
由于其高阻挡能力，具有基于SiC(碳化硅)和其它宽带隙基板的半导体元件的半导体模块被越来越多地应用于高压应用中。
WO2018/141811A1公开了一种功率半导体器件，其包括提供Si开关的Si(硅)芯片和提供宽带隙材料开关的宽带隙材料芯片，其中Si开关和宽带隙材料开关并联电连接。
WO2018/065317A1公开了一种半导体模块，包括：半导体芯片，包括Si基层和Si 基层上的SiC(碳化硅)外延层，SiC外延层包括半导体元件；导电顶层，用于在SiC外延层的一侧上提供半导体模块的电接触；导电底层，用于在Si基层的一侧上提供半导体模块的电接触；以及失效模式层，与SiC外延层接触，且布置在顶层和底层之间，失效模式层包括适于与Si基层形成共晶合金以使半导体模块短路的金属材料。
实用新型内容
本节提供本公开的一般性摘要，并非对其全部范围或所有特征的全面公开。
根据一个实施例，功率半导体模块包括：基板；宽带隙材料裸芯，包括附接至基板的宽带隙材料裸芯中的多个半导体电路的阵列，其中，半导体电路通过边缘终止区彼此间隔开；金属预制件，压靠在多个半导体电路中的每个半导体电路上，以电接触多个半导体电路中的每个半导体电路，并且适于在被过电流加热时形成通过宽带隙材料裸芯的至少临时导电路径。半导体电路通过基板和金属预制件并联连接。
根据另一实施例，宽带隙材料包括碳化硅(SiC)。
根据另一实施例，金属预制件包括Mo(钼)、W(钨)、Cu(铜)或其合金中的至少一种。
根据另一实施例，基板包括Mo、W、Cu或其合金中的至少一种。
根据另一实施例，多个半导体电路中的至少一个包括IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或二极管中的至少一种。
根据另一实施例，多个半导体电路的阵列包括彼此并联连接的四个半导体电路。
根据另一实施例，功率半导体模块还包括将金属预制件压靠在多个半导体电路中的每个半导体电路上的至少一个压销。
根据另一实施例，功率半导体模块还包括连接到至少一个压销的导电顶板。
根据另一实施例，至少一个压销包括弹簧元件。
根据另一方面，功率半导体模块包括：基板；至少两个模块部分；至少两个宽带隙材料裸芯，各自布置在至少两个模块部分中的一个模块部分中，并且各自包括附接至基板的宽带隙材料裸芯中的多个半导体电路的阵列，其中，半导体电路由边缘终止区彼此间隔开。功率半导体模块还包括至少两个金属预制件，每个金属预制件压靠在多个半导体电路中的每个半导体电路上，以电接触多个半导体电路中的每个半导体电路，并且适于在被过电流加热时形成通过宽带隙材料裸芯的至少临时导电路径，其中，至少两个宽带隙材料裸芯中的每个宽带隙材料裸芯的半导体电路通过基板和至少两个金属预制件中的一个金属预制件并联连接。功率半导体模块还包括：至少两个压销，该至少两个压销将金属预制件中的每个金属预制件压靠在至少两个宽带隙材料裸芯中的每个宽带隙材料裸芯的多个半导体电路中的每个半导体电路上；导电顶板，连接到至少两个压销。
根据另一实施例，至少两个模块部分布置在一个封装中。
根据本文提供的描述，应用的其它领域将变得显而易见。本实用新型内容中的描述和具体示例仅旨在出于说明目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文中所描绘的附图仅出于所选实施例的说明性目的，并非所有可能的实施方案，并且不旨在限制本公开的范围。
图1示意性地示出了功率半导体模块的示例。
图2示意性地示出了功率半导体模块的另一示例。
具体实施方式
现在将参照附图对实施例的示例进行更全面地描述。
提供示例性实施例使得本公开将是透彻的，并且向本领域技术人员充分传达本公开的范围。阐述诸如特定组件、器件和方法的示例的多个具体细节，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员而言将是显然的是，不需要采用特定细节，示例性实施例可以以多种不同的形式实施，并且均不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施例中，未详细描述公知的工艺、公知的器件结构和公知的技术。
本文中使用的术语仅出于描述特定示例性实施例的目的，并不旨在进行限制。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也可以旨在包括复数形式。术语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包括(including)”和“具有”是包括性的，并且因此指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
当元件或层被称作为“在”另一元件或层“上”、“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上、直接接合、连接或耦接至另一元件或层，或者可以存在居间元件或居间层。相反，当元件被称作为“直接在”另一元件或层“上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可以不存在居间元件或居间层。用于描述元件之间的关系的其它词应以类似的方式解释(例如，“在…之间”与“直接在…之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文中所用，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和全部组合。
开发具有SCFM(短路故障模式)能力的大电流模块是有挑战性的，因为例如当使用SiC(碳化硅)作为裸芯的宽带隙材料时，高压SiC芯片(例如MOSFET)很小(约5×5mm2) 并且由于其产量和成本原因(内在缺陷和工艺产量)，在不久的将来仍将保持小尺寸。最近，SiCSCFM被验证i)用于单片小型SiC芯片上的小型金属预制件，或ii)作为一个大型SiC芯片上的多引脚预制件。通过上述两种解决方案，可以实现具有SCFM能力的大电流SiC模块。然而，最近很难以单片小型SiC芯片的高产量制造具有SCFM能力的大电流SiC模块以用于大功率应用(例如HVDC、VSC)。这是因为当使用由一个多引脚预制件连接的多个单片小型SiC芯片时，在单片小型SiC芯片中的一个芯片发生故障的情况下，无法确保稳定的短路，因为可能出现电弧。此外，由于大型SiC芯片的产量太低，大型SiC芯片(例如12×12mm2)尚无法实现商业规模。
因此，本申请的一个目的是提供一种具有SCFM(短路故障模式)形成能力并具有高产量的紧凑、安全的功率半导体模块设计。
该功率半导体模块包括：基板；宽带隙材料裸芯，包括附接至基板的宽带隙材料裸芯中的多个半导体电路的阵列，其中，半导体电路由边缘终止区彼此间隔开；金属预制件，压靠在多个半导体电路中的每个半导体电路上以电接触多个半导体电路中的每个半导体电路，并且适于在被过电流加热时，形成通过宽带隙材料裸芯的至少临时导电路径；其中，半导体电路通过基板和金属预制件并联连接。其它示例性实施例通过以下描述而变得显而易见。
本申请涉及一种功率半导体模块。具体地，本申请涉及具有SCFM(短路故障模式)形成能力的大电流功率模块设计。一种新的芯片结构可以实现具有SCFM的大电流模块。此处以及下文中，术语“功率”可以涉及处理大于10A的电流和/或大于1000V的能力。功率半导体模块通常可以是机械地支承并为一个或多个功率半导体元件(诸如晶体管、晶闸管、二极管等)提供端子的器件。通常，功率半导体模块可以包括提供端子的壳体，壳体中容纳有一个或多个功率半导体元件。
根据如图1中公开的本申请的一个实施例，功率半导体模块包括基板10、宽带隙材料裸芯12，宽带隙材料裸芯12包括在附接至基板10的宽带隙材料裸芯12中的多个半导体电路11的阵列，其中半导体电路11由边缘终止区16彼此间隔开。通过在宽带隙材料裸芯12中形成由边缘终止区16间隔开的多个半导体电路11，可以保持小型SiC芯片的高产量，同时可以确保具有多引脚预制件的大型芯片的稳定短路。
宽带隙材料可以包括碳化硅(SiC)。宽带隙材料也可以是GaN等。其特征可以是半导体带隙比硅(Si)的带隙宽，例如宽于1.1eV。金属预制件14压靠在多个半导体电路 11中的每个半导体电路上，以电接触多个半导体电路11中的每个半导体电路，并且适于在被过电流加热时形成通过宽带隙材料裸芯12的至少临时导电路径。当半导体电路11 之一发生故障时，这种过电流可能出现在故障情形中。通常，功率电子元件的故障模式可分为开路故障或短路故障。不能开路的半导体元件不适用于需要串联连接的应用。特别是在一些大功率应用中，模块必须设计成当发生故障时，故障模块通过形成稳定的短路继续承载负载电流，而其余模块共享阻断电压。半导体电路11通过基板10和金属预制件14彼此并联连接。
使用例如激光切割技术，具有包括通过边缘终止区16彼此间隔开的多个小型半导体电路11的新的芯片结构的宽带隙材料裸芯12，可以被实现为一个单片大型芯片单元，该单片大型芯片单元保持小型单片芯片的高产量。多个半导体电路11中的至少一个可以包括IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或二极管中的至少一种。通过使用将金属预制件14压靠在多个半导体电路11中的每个半导体电路上以电接触多个半导体电路11中的每个半导体电路的多引脚预制件构思，多个半导体电路11通过基板和金属预制件14并联电连接，用于大电流分类并保证短路故障模式 (SCFM)。此外，多引脚预制件构思支持在宽带隙材料裸芯12的整个区域内保持均匀的压力。金属预制件14和/或基板10可以包括Mo(钼)、W(钨)、Cu(铜)或其合金。Mo可能是有利的，因为它具有与SiC或其它宽带隙材料相似的热膨胀系数。此外， Mo也可以在较高温度下与宽带隙材料裸芯12的宽带隙基板形成至少临时导电路径。
示例性地，多个半导体电路11在功率半导体模块内并联连接。应注意，半导体电路11可以是完全无源元件和/或仅为沿金属预制件14的电流路径提供相当高的电阻的层。即，在正常操作期间，可以没有任何电流通过半导体电路11。金属预制件14适于当被例如由于芯片故障引起的过电流加热时，形成通过半导体电路11的至少临时导电路径。这里，过电流可以是高到使诸如SiC的宽带隙材料分解的电流。通过宽带隙材料的临时导电路径可能由于形成用于导电路径的材料而退化。例如，SiC基板和金属预制件可以形成导电物质。术语“临时”可以涉及比“永久”时间跨度小得多的时间跨度。例如，临时时间跨度可以短于1秒。与硅基板相比，宽带隙材料裸芯和熔化的金属预制件14不形成合金，因为例如SiC仅在较高温度下熔化。在宽带隙材料裸芯的情况下，低欧姆路径通过宽带隙材料的分解(例如通过电弧放电)形成。
由于多个小型半导体电路11由边缘终止区16彼此间隔开，但仍然位于一个单独的裸芯上，因此可以节省切割芯片所需的空间，并且在电路故障的情况下可以确保低电阻电流路径。
多个半导体电路11的阵列可以包括例如三个或四个彼此并联连接的半导体电路11。利用这些数量的半导体电路11，可以在确保高功率应用的同时保持高产量。此外，宽带隙材料裸芯12上更多数量的半导体电路11使得有源区域增加，因为节省了半导体电路 11之间的终止区。
功率半导体模块1还可以包括将金属预制件14压靠在多个半导体电路11中的每个半导体电路上的至少一个压销18。可以通过导电压销18施加压紧力，压销18压靠在相应的金属预制件14上。
功率半导体模块还可以包括连接到至少一个压销18的导电顶板20。
至少一个压销18可以包括弹簧元件22，其例如可以包括盘式弹簧、板式弹簧或螺旋弹簧。金属预制件14、压销18和/或弹簧元件22可以容纳在宽带隙材料裸芯12和顶板 20之间。除了多引脚预制件构思之外，弹簧元件22还支持在宽带隙材料裸芯12的整个区域上的均匀的压力分布。在一个实施例中，顶板20是压销18的一部分。
图2示出了本申请的另一实施例，其示出了包括分别位于模块部分31和32之一的两个宽带隙材料裸芯的多芯片功率半导体模块。两个宽带隙材料裸芯布置在一个单个基板10上。裸芯的数量不限于一个或两个。在一个实施例中，例如可以在一个模块1中组合三个或六个裸芯。多个模块1可以组合在一个封装中以形成一个单个产品。
类似地，两个或更多金属预制件14可以用于接触附接至基板10的单个宽带隙材料裸芯中的相应的多个半导体电路11阵列(未示出)。
提供前述对实施例的描述出于说明和描述的目的。其不旨在是详尽的或限制本公开。特定实施例的单个元件或特征通常不限于该特定实施例，而是在适用的情况下可以互换，并且可以用于选定的实施例，即使没有具体示出或描述。其也可以以多种方式变化。这些变化不应被视为背离本公开内容，并且所有这些修改旨在包括在本公开的范围内。
参考标记列表
1 功率半导体模块
10 基板
11 半导体电路
12 宽带隙材料裸芯
14 金属预制件
16 边缘终止区
18 压销
20 顶板
22 弹簧元件
31、32 模块部分
Claims (11)
1.一种功率半导体模块(1)，其特征在于，包括：
基板(10)；
宽带隙材料裸芯(12)，包括附接至所述基板(10)的所述宽带隙材料裸芯(12)中的多个半导体电路(11)的阵列，其中，所述半导体电路(11)由边缘终止区(16)彼此间隔开；
金属预制件(14)，压靠在所述多个半导体电路(11)中的每个半导体电路上以电接触所述多个半导体电路(11)中的每个半导体电路，并且适于在被过电流加热时，形成通过所述宽带隙材料裸芯(12)的至少临时导电路径；
其中，所述半导体电路(11)通过所述基板(10)和所述金属预制件(14)并联连接。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述宽带隙材料包括碳化硅(SiC)。
3.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述多个半导体电路(11)中的至少一个包括IGBT、MOSFET或二极管中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述多个半导体电路(11)的阵列包括四个半导体电路(11)。
5.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，还包括：将所述金属预制件(14)压靠在所述多个半导体电路(11)中的每个半导体电路上的至少一个压销(18)。
6.根据权利要求5所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，还包括：连接至所述至少一个压销(18)的导电顶板(20)。
7.根据权利要求5所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述至少一个压销(18)包括弹簧元件(22)。
8.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述金属预制件(14)是多引脚金属预制件。
9.根据权利要求1所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，还包括：
至少两个模块部分(31，32)；
至少一个另外的宽带隙材料裸芯(12)，所述至少两个宽带隙材料裸芯(12)中的每个宽带隙材料裸芯布置在所述至少两个模块部分(31，32)中的一个模块部分中，并且各自在附接至所述基板(10)的所述宽带隙材料裸芯(12)中包括多个半导体电路(11)的阵列，其中，所述半导体电路(11)通过边缘终止区(16)彼此间隔开；
至少一个另外的金属预制件(14)，所述至少两个金属预制件(14)中的每个金属预制件压靠在所述多个半导体电路(11)中的每个半导体电路上以电接触相应的多个半导体电路(11)中的每个半导体电路，并且适于在被过电流加热时形成通过相应宽带隙材料裸芯(12)的至少临时导电路径，所述多个半导体电路(11)位于布置在所述至少两个模块部分(31，32)中的一个模块部分中的所述至少两个宽带隙材料裸芯(12)中的一个宽带隙材料裸芯中；
其中，所述至少两个宽带隙材料裸芯(12)中的每个宽带隙材料裸芯的所述半导体电路(11)通过所述基板(10)和所述至少两个金属预制件(14)中的一个金属预制件并联连接；
至少两个压销(18)，将所述金属预制件(14)中的每个金属预制件压靠在所述至少两个宽带隙材料裸芯(12)中的每个宽带隙材料裸芯的所述多个半导体电路(11)中的每个半导体电路上；
导电顶板(20)，连接至所述至少两个压销(18)。
10.根据权利要求9所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述至少两个模块部分(31，32)布置在一个封装中。
11.根据权利要求9或10所述的功率半导体模块(1)，其特征在于，所述金属预制件(14)中的每个金属预制件是多引脚金属预制件。
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