JP7432075B2 - power semiconductor module - Google Patents

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Description

本発明は、パワー半導体モジュールの形成方法に関する。本発明はさらに、パワー半導体モジュールに関する。本発明は、特に、基板メタライゼーションへの端子の改善された接続を有するパワー半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a method of forming a power semiconductor module. The invention further relates to a power semiconductor module. The invention particularly relates to power semiconductor modules with improved connection of terminals to substrate metallization.

パワー半導体モジュールは、一般に、当該技術分野において広く公知である。端子を基板または基板メタライゼーションなどの導電性構造体にそれぞれ接続するための異なる接続技術がある。 Power semiconductor modules are generally well known in the art. There are different connection techniques for respectively connecting a terminal to a conductive structure such as a substrate or substrate metallization.

超音波溶接(USW)は、高信頼性および高温パワーエレクトロニクスモジュールに使用され得る基板メタライゼーションに端子を接続するための公知の技術である。特に、超音波溶接は、銅製の端子を、銅メタライゼーションを有するセラミック基板に接合するために広く使用されている。これは主に、銅端子および銅メタライゼーションの両方が、約50のビッカース硬度の範囲などの低い硬度を有する焼鈍銅であるという事実に起因する。 Ultrasonic welding (USW) is a known technique for connecting terminals to substrate metallization that can be used for high reliability and high temperature power electronics modules. In particular, ultrasonic welding is widely used to join copper terminals to ceramic substrates with copper metallization. This is primarily due to the fact that both the copper terminal and the copper metallization are annealed copper with low hardness, such as in the Vickers hardness range of about 50.

しかしながら、パワー半導体モジュールの高度な設計では、異種材料の溶接、例えば、セラミック基板のアルミニウムメタライゼーションへの銅端子の溶接、または銅メタライゼーションを有するセラミック基板への、CuNiSiから作製された押圧ピン補助端子などの硬質銅端子の溶接が必要であることも公知である。異種材料を接続するために超音波溶接を使用する場合、より硬質の材料は、より軟質の材料に押し込まれるか、またはより軟質の材料を変形させる可能性が高い。代替策として、それぞれ、基板または基板メタライゼーションに端子を接合するために、レーザ溶接を使用することが公知である。しかしながら、この技術について考えると、異種材料を接続するときに脆い金属間相が形成されるリスクがある。 However, in the advanced design of power semiconductor modules, the welding of dissimilar materials, for example the welding of copper terminals to the aluminum metallization of a ceramic substrate, or the welding of a copper terminal to a ceramic substrate with a copper metallization, using a push pin auxiliary made from CuNiSi It is also known that welding of hard copper terminals such as terminals is necessary. When using ultrasonic welding to connect dissimilar materials, the harder material is likely to be forced into or deform the softer material. As an alternative, it is known to use laser welding to join the terminal to the substrate or substrate metallization, respectively. However, considering this technology, there is a risk of forming brittle intermetallic phases when connecting dissimilar materials.

したがって、特に端子を基板の基板メタライゼーションと接続することについて考えた場合、異種材料の接続に関して改善の余地があるかもしれない。 Therefore, there may be room for improvement regarding the connection of dissimilar materials, especially when considering connecting terminals to the substrate metallization of the substrate.

JP2009302579は、半導体チップの表側電極とリードフレームとを同じ材料で形成し、リードフレームの先端部を凸形状に加工し、半導体チップの対応の表面膜とリードフレームとが対向することを示す。加圧しながら超音波振動を行うことで、最表面に形成された同じ金属が互いに拡散し、はんだを用いずに直接金属接合を行うことができる。そのため、半導体チップとリードフレームとの接続に着目している。端子を導電性構造体に接続する手掛かりについては記載していない。 JP2009302579 shows that the front side electrode of the semiconductor chip and the lead frame are formed of the same material, the tip of the lead frame is processed into a convex shape, and the corresponding surface film of the semiconductor chip and the lead frame face each other. By applying ultrasonic vibration while applying pressure, the same metals formed on the outermost surface diffuse into each other, allowing direct metal joining without using solder. Therefore, we are focusing on the connection between semiconductor chips and lead frames. No mention is made of the means for connecting the terminal to the conductive structure.

しかしながら、このステップは、端子を基板に固定することに匹敵するものではなく、なぜならば、このステップはまったく異なるプロセスであるからである。この点に関して、先行技術によれば、半導体電極上でのワイヤボンディングの場合、最大100mWが適用され、これとは対照的に、端子の超音波溶接の場合、kW範囲まで適用される。 However, this step is not comparable to fixing the terminals to the substrate, since this step is a completely different process. In this regard, according to the prior art, in the case of wire bonding on semiconductor electrodes, a maximum of 100 mW is applied, whereas in the case of ultrasonic welding of terminals, up to the kW range is applied.

JP2008042039Aは、配線部材をヒートスプレッダとして機能する電極板とリードフレームとに2分割し、電極板を、半導体チップの主面に、リードフレームと非接合状態で、ろう付けすることを記載している。そして、リードフレームの接合端を、電極板の周縁から横方向に延在する延在部上に重ねて、レーザ溶接や電子ビーム溶接等により局所的に加熱する。 JP2008042039A describes dividing a wiring member into two parts, an electrode plate that functions as a heat spreader, and a lead frame, and brazing the electrode plate to the main surface of a semiconductor chip without being bonded to the lead frame. Then, the joint end of the lead frame is overlapped on the extending portion extending laterally from the periphery of the electrode plate, and locally heated by laser welding, electron beam welding, or the like.

JP 2012 039018 Aは、超音波接合前に、リードの配線パターンに接合される接続部の一面を凸状に湾曲させ、その凸面を配線パターンに向けることを記載している。超音波印加手段は、凸面とは反対側の面に押し付けられて超音波を印加することにより、リードと配線パターンとを超音波接合する。 JP 2012 039018 A describes that before ultrasonic bonding, one surface of a connecting portion to be bonded to a wiring pattern of a lead is curved into a convex shape, and the convex surface is directed toward the wiring pattern. The ultrasonic wave applying means is pressed against the surface opposite to the convex surface and applies ultrasonic waves to ultrasonically bond the leads and the wiring pattern.

CN104241209は、専用の電力統合モジュールとして、リードフレーム、制御チップ、サーミスタ、パワーチップ、ダイオードおよび金属ワイヤを含む、屋外電源用の特殊な電力モジュールに関する。放熱基板は、パッケージの底部に位置する。サーミスタ、パワーチップおよびダイオードは、基板にはんだ付けされる。パワーチップおよびダイオードは、超音波接合によりリードフレームに接続され、リードフレームは、放熱基板の両側に分散され、金属ワイヤは、制御チップとリードフレームとを接続する。 CN104241209 relates to a special power module for outdoor power supply, including lead frame, control chip, thermistor, power chip, diode and metal wire as a dedicated power integration module. A heat dissipation board is located at the bottom of the package. The thermistor, power chip and diode are soldered to the board. The power chip and the diode are connected to the lead frame by ultrasonic bonding, the lead frame is distributed on both sides of the heat dissipation board, and metal wires connect the control chip and the lead frame.

WO2007/033829は、パワー半導体モジュールの製造方法であって、接触領域と接触要素との間に超音波溶接接触部の形態で接触部が形成され、超音波溶接プロセスに使用されるソノトロードは、接触領域を接触端部とともに組み付けるためにも使用され、それによって、接触部をベース領域とともに組み付けるためにも使用される方法に関する。 WO 2007/033829 describes a method for manufacturing a power semiconductor module, in which a contact is formed in the form of an ultrasonic welding contact between a contact area and a contact element, and the sonotrode used for the ultrasonic welding process The present invention relates to a method which is also used to assemble the area with the contact end and thereby also to assemble the contact part with the base area.

JP 2011061105 Aには、リード端子を基板のパッドに接続する際に、超音波態様で、充分な接続強度を達成し、パッド破損を抑制する、信頼性の高い接続技術を提供するために、以下のように記載されている。金属基材および絶縁膜上のパッド上には、パッドおよびリード端子よりも硬いコーティング層が形成されている。超音波接続中は、超音波ツールに超音波を印加してコーティング層を破壊し、プラスチック流動によりコーティング層の両側のリード端子とパッドとを直接接続する。 JP 2011061105 A includes the following in order to provide a highly reliable connection technology that achieves sufficient connection strength and suppresses pad damage when connecting lead terminals to pads on a substrate using ultrasonic waves. It is written as follows. A coating layer that is harder than the pad and lead terminal is formed on the metal base material and the pad on the insulating film. During ultrasonic connection, the ultrasonic tool applies ultrasonic waves to destroy the coating layer, and the plastic flow directly connects the lead terminals and pads on both sides of the coating layer.

US2014/021620 A1は、実施形態によると、パワーデバイスが、第2の表面に面する第1の表面を有する半導体構造と、上部電極と、下部電極とを含むことを記載する。上部電極は、半導体構造の第1の表面上にある第1のコンタクト層と、第1のコンタクト層上にあり、ニッケル(Ni)を含有する金属で形成される第1のボンディングパッド層とを含んでもよい。前記下部電極は、半導体構造の第2の表面の下に位置する第2のコンタクト層と、第2のコンタクト層の下に位置するとともに、Niを含む金属からなる第2のボンディングパッド層とを含んでもよい。 US2014/021620 A1 describes that, according to embodiments, a power device includes a semiconductor structure having a first surface facing a second surface, a top electrode, and a bottom electrode. The top electrode includes a first contact layer on the first surface of the semiconductor structure and a first bonding pad layer on the first contact layer formed of a metal containing nickel (Ni). May include. The lower electrode includes a second contact layer located under the second surface of the semiconductor structure, and a second bonding pad layer located under the second contact layer and made of a metal containing Ni. May include.

しかしながら、上記文献には、特に、パワー半導体モジュールにおいて、端子を基板に、穏やかに、かつ高い信頼性をもって接続することについて、依然として改善の余地がある。 However, there is still room for improvement in the above-mentioned document, especially with regard to the gentle and reliable connection of terminals to substrates in power semiconductor modules.

発明の概要
したがって、本発明の目的は、先行技術の少なくとも1つの欠点を少なくとも部分的に克服するための解決策を提供することである。特に本発明の目的は、端子を基板に確実かつ穏やかに接続するための解決策を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the invention to provide a solution to at least partially overcome at least one drawback of the prior art. In particular, it is an object of the invention to provide a solution for a reliable and gentle connection of a terminal to a substrate.

これらの目的は、請求項1の特徴を有するパワー半導体モジュールを形成するために基板に端子を接続する方法によって少なくとも部分的に解決される。これらの目的は、さらに、独立請求項13の特徴を有するパワー半導体モジュールによって少なくとも部分的に解決される。有利な実施形態は、従属請求項、さらなる説明、および図面に示され、説明される実施形態は、明確に除外されない限り、単独で、またはそれぞれの実施形態の任意の組み合わせで、本発明の特徴を提供することができる。 These objects are at least partially solved by a method for connecting terminals to a substrate to form a power semiconductor module with the features of claim 1. These objects are furthermore solved at least partially by a power semiconductor module having the features of independent claim 13. Advantageous embodiments are shown in the dependent claims, the further description and the drawings, and the embodiments described, alone or in any combination of the respective embodiments, characterize the invention, unless expressly excluded. can be provided.

記載されるのは、パワー半導体モジュールを形成するために基板に端子を接続する方法であって、端子は、第1の材料から形成される第1の接続領域を有し、基板は、第2の材料から形成される第2の接続領域を有し、第1の材料は、第1の硬度を有し、第2の材料は、第2の硬度を有し、第1の硬度は、第2の硬度とは異なり、硬度がより高いそのような第1の接続領域または第2の接続領域は接続相手領域を形成し、硬度がより低いそのような第1の接続領域または第2の接続領域は接続ベース領域を形成し、端子は、超音波溶接またはレーザ溶接によって基板に接続され、端子を基板に接続する前に、本方法は、接続相手領域の硬度に対応する硬度を有する材料から形成される表面サブ層を有する接続層を提供するステップを含み、接続層は、接続ベース領域上に設けられ、表面サブ層は、接続相手領域に対向することを特徴とする。 Described is a method of connecting a terminal to a substrate to form a power semiconductor module, the terminal having a first connection region formed from a first material, the substrate having a second the first material has a first hardness, the second material has a second hardness, and the first hardness has a second hardness. 2, such a first connection area or a second connection area with a higher hardness forms a connection partner area, and such a first connection area or a second connection with a lower hardness The area forms a connection base area, and the terminal is connected to the substrate by ultrasonic welding or laser welding, and before connecting the terminal to the substrate, the method includes forming a connection base area from a material having a hardness corresponding to the hardness of the connection partner area. providing a connection layer having a surface sublayer formed, the connection layer being provided on the connection base region, the surface sublayer facing the connection partner region;

このような方法は、特に、端子を基板または基板メタライゼーションにそれぞれ確実かつ安全に接続することに関して、先行技術の解決策に勝る有意な利点を提供する。 Such a method offers significant advantages over prior art solutions, in particular with regard to reliably and safely connecting the terminal to the substrate or substrate metallization, respectively.

したがって、本発明は、パワー半導体モジュールを形成するために端子を基板に接続する方法に関する。したがって、本方法は、パワー半導体モジュールの製造過程で実施されるのに適しており、及びそれに対して意図され、詳細には、端子を基板に、したがって特に基板メタライゼーションに接続することに対処する。 The invention therefore relates to a method for connecting terminals to a substrate to form a power semiconductor module. The method is therefore suitable for and intended for implementation in the manufacturing process of power semiconductor modules, and in particular deals with connecting a terminal to a substrate and thus in particular to a substrate metallization. .

端子は、概して、L字形を有してもよく、その下部が、基板に対して、溶接領域など、その第1の接続領域で、接続される。本発明の意味での端子は、600μm以上、例示的に1000μm以上の厚み、および2mm以上の幅を有してもよい。さらに、溶接領域などの接続領域は、2mm×2mm以上の寸法を有してもよい。端子の断面は矩形であってもよく、L字形の、異なるように整列された2つの部分の間の角度は、矩形または90°超であってもよい。さらに、端子は非可撓性であってもよい。 The terminal may have a generally L-shape and its lower part is connected to the substrate at its first connection area, such as a weld area. A terminal in the sense of the invention may have a thickness of 600 μm or more, illustratively 1000 μm or more, and a width of 2 mm or more. Furthermore, the connection area, such as the weld area, may have dimensions of 2 mm x 2 mm or more. The cross-section of the terminal may be rectangular and the angle between the two differently aligned parts of the L-shape may be rectangular or greater than 90°. Additionally, the terminal may be non-flexible.

端子とは対照的に、ワイヤボンドの典型的なパラメータは、400μm以下の直径と、0.5mm×1mm以下の溶接面積などの接続面積とを含む。接続領域と隣接部分との間の角度は、90度をはるかに上回るような斜めであってもよく、断面は円形であってもよい。さらに、ワイヤボンドは、可撓性、すなわち屈曲可能であってもよい。 In contrast to terminals, typical parameters for wire bonds include a diameter of 400 μm or less and a connection area, such as a weld area of 0.5 mm x 1 mm or less. The angle between the connecting region and the adjacent part may be oblique, much more than 90 degrees, and the cross section may be circular. Additionally, the wire bond may be flexible, ie, bendable.

さらに、端子とは対照的にリボンに関して、典型的なパラメータは、300μm以下の厚み、2mm以上の幅、および0.5mm×2mm以下の溶接面積などの接続面積を含む。接続領域と隣接部分との間の角度は、90度をはるかに上回るような斜めであってもよく、断面は矩形であってもよい。さらに、リボンは、可撓性、すなわち屈曲可能であってもよい。 Additionally, for ribbons as opposed to terminals, typical parameters include a thickness of 300 μm or less, a width of 2 mm or more, and a connection area such as a weld area of 0.5 mm x 2 mm or less. The angle between the connecting region and the adjacent part may be oblique, much more than 90 degrees, and the cross section may be rectangular. Additionally, the ribbon may be flexible or bendable.

したがって、本発明の意味における接続は、端子を基板もしくは基板メタライゼーションにそれぞれ機械的および/または電気的に接続することを意味するものとする。 Connection in the sense of the invention shall therefore mean mechanically and/or electrically connecting the terminal to the substrate or to the substrate metallization, respectively.

この点に関して、概して、パワー半導体モジュールは、当技術分野で公知のような機能を有し得る。例えば、製造されるべきパワー半導体モジュールは、メタライゼーションを備え、このメタライゼーションは、このメタライゼーションに接続されるべき端子をそれぞれのパワー半導体デバイスと電気的に接続するように適合される。 In this regard, power semiconductor modules may generally have such functionality as is known in the art. For example, the power semiconductor module to be manufactured comprises a metallization that is adapted to electrically connect the terminals to be connected to the metallization with the respective power semiconductor device.

基板メタライゼーション上には、パワー半導体デバイスも配置される。そのようなパワー半導体デバイスは、概して、当技術分野で公知なように形成され得、とりわけ、MOSFETおよび/もしくはIGBTなどのトランジスタまたはスイッチをそれぞれ備え得、ならびに/または複数のパワー半導体デバイスは、ダイオードを備え得る。パワー半導体デバイスは、それぞれ相互接続されてもよく、したがって、メタライゼーションとガルバニック接触するように、電気的に接触してもよい。 Power semiconductor devices are also arranged on the substrate metallization. Such power semiconductor devices may generally be formed as known in the art and may each include transistors or switches, such as MOSFETs and/or IGBTs, among others, and/or the plurality of power semiconductor devices may include diodes, diodes, etc. can be provided. The power semiconductor devices may each be interconnected and therefore in electrical contact, such as in galvanic contact with the metallization.

互いに接続されるべき端子およびメタライゼーションに関して、端子は第1の材料から形成される第1の接続領域を有し、基板は第2の材料から形成される第2の接続領域を有し、第1の材料は第1の硬さを有し、第2の材料は第2の硬さを有し、第1の硬度は第2の硬度とは異なる。 Regarding the terminals and the metallizations to be connected to each other, the terminals have a first connection area formed from a first material, the substrate has a second connection area formed from a second material, and the substrate has a second connection area formed from a second material; One material has a first hardness, the second material has a second hardness, and the first hardness is different from the second hardness.

したがって、第1の接続領域は、基板メタライゼーションに接続されることが意図される端子の領域であり、それに対応して、第2の接続領域は、端子に接続されることが意図される基板または基板メタライゼーションそれぞれの領域である。多くの用途では、第1の接続領域および第2の接続領域が異なる材料から形成され、したがって異なる硬度を有する場合がある。第1の材料、したがって第1の接続領域に設けられる材料が、第2の材料、したがって第2の接続領域に設けられる材料よりも高い硬度を有する場合もあり、第2の材料が、第1の材料よりも高い硬度を有する場合もある。 The first connection area is therefore the area of the terminal intended to be connected to the substrate metallization, and correspondingly the second connection area is the area of the terminal intended to be connected to the substrate metallization. or each area of substrate metallization. In many applications, the first connection region and the second connection region may be formed from different materials and therefore have different hardnesses. The first material and therefore the material provided in the first connection area may have a higher hardness than the second material and therefore the material provided in the second connection area; In some cases, the hardness is higher than that of other materials.

上記の方法によれば、硬度がより高いそのような第1の接続領域または第2の接続領域は接続相手領域を形成し、硬度がより低いそのような第1の接続領域または第2の接続領域は接続ベース領域を形成する。 According to the above method, such a first connection area or a second connection area with a higher hardness forms a connection partner area and such a first connection area or a second connection area with a lower hardness The regions form connected base regions.

実際、パワー半導体モジュールの高度な設計は、異種材料の溶接を必要とすることも公知である。例として、銅系端子をセラミック基板のアルミニウムメタライゼーションに接続することが公知である。さらに、銅メタライゼーションを有するセラミック基板上に、CuNiSi押圧ピン補助端子などの硬質銅端子を接続することが必要とされ得る。 Indeed, it is also known that advanced designs of power semiconductor modules require welding of dissimilar materials. By way of example, it is known to connect copper-based terminals to aluminum metallization of ceramic substrates. Furthermore, it may be necessary to connect hard copper terminals, such as CuNiSi push pin auxiliary terminals, on ceramic substrates with copper metallization.

特定の第1および第2の材料とは独立して、超音波溶接またはレーザ溶接を使用することによって端子を基板に接続することがしばしば望ましい。これは、信頼性のある高温パワーエレクトロニクスモジュールを形成するために端子を基板に接続することに関してこれらの技術が公知であるという事実に起因し得る。特に、超音波溶接は、例えば銅製の端子を、銅メタライゼーションを有するセラミック基板に接合するために、広く使用されている。これは主に、銅端子および銅メタライゼーションの両方が、約50のビッカース硬度の範囲などの低い硬度を有する焼鈍銅であるという事実に起因する。 Independent of the particular first and second materials, it is often desirable to connect the terminal to the substrate by using ultrasonic or laser welding. This may be due to the fact that these techniques are known for connecting terminals to substrates to form reliable high temperature power electronics modules. In particular, ultrasonic welding is widely used, for example, for joining terminals made of copper to ceramic substrates with copper metallization. This is primarily due to the fact that both the copper terminal and the copper metallization are annealed copper with low hardness, such as in the Vickers hardness range of about 50.

しかしながら、これらの溶接技術を使用することは、特に第1の材料が第2の材料と比較して異なる硬度を有する場合に欠点をもたらし得る。異種材料を接続するために超音波溶接を使用する場合、より硬質の材料は、より軟質の材料に押し込まれるか、またはより軟質の材料を変形させ、したがってそれを損傷する可能性がある。 However, using these welding techniques may present drawbacks, especially when the first material has a different hardness compared to the second material. When using ultrasonic welding to connect dissimilar materials, the harder material can be forced into or deform the softer material, thus damaging it.

先行技術のこの欠点を克服するために、本明細書に記載される方法によれば、端子を基板に接続する前に、接続層が提供され、この接続層は、接続相手領域の硬度に対応する硬度を有する材料から形成される表面サブ層を有し、接続層は接続ベース領域上に提供され、表面層は接続相手領域に面する。 In order to overcome this shortcoming of the prior art, according to the method described herein, before connecting the terminal to the substrate, a connecting layer is provided, which layer corresponds to the hardness of the connecting partner area. the connecting layer is provided on the connecting base region, and the surface layer faces the connecting partner region.

接続層に関して、接続層は、表面サブ層からなってもよく、または以下で説明されるような表面サブ層よりも多くの層を含んでもよい。それが接続層からのみ言及される場合、この用語は、接続層が表面サブ層からなる場合の表面サブ層を記述してもよい。 Regarding the connection layer, the connection layer may consist of surface sublayers or may include more layers than surface sublayers as described below. When it is referred to only from the connecting layer, the term may also describe the surface sublayer when the connecting layer consists of a surface sublayer.

前述のように接続層を提供するこのステップは、超音波溶接またはレーザ溶接によって端子を導電性構造体に接続するときに接触する表面が、特に、より高い硬度を有する第1の材料および第2の材料の材料に対応する、対応する硬度を有することを可能にする。本発明の意味での対応する硬度は、特に、同じ硬度を意味するか、または同じ硬度を有し、より高い硬度値に関して+/-30%の許容差を有することを意味するものとする。 This step of providing the connecting layer as described above ensures that the surfaces that are in contact when connecting the terminal to the conductive structure by ultrasonic or laser welding are in particular made of a first material having a higher hardness and a second material having a higher hardness. It is possible to have a corresponding hardness depending on the material of the material. Corresponding hardness in the sense of the invention shall in particular mean the same hardness or having the same hardness with a tolerance of +/−30% for higher hardness values.

したがって、先行技術によって生じ得るそれぞれの異なる硬度に言及する欠点を回避し得る。 Thus, the disadvantages referring to different hardnesses that can occur with the prior art may be avoided.

したがって、特に、異種材料を接続するために超音波溶接またはレーザ溶接を使用する場合、より硬質の材料がより軟質の材料に押し込まれるか、またはより軟質の材料を変形させる可能性が回避され得る。したがって、接続プロセスの過程で、硬度の低い材料が損傷することを防止することができる。 Therefore, the possibility of a harder material being forced into or deforming a softer material may be avoided, especially when using ultrasonic or laser welding to connect dissimilar materials. . Therefore, it is possible to prevent materials with low hardness from being damaged during the connection process.

ひいては、第1の材料と接続層との間または第2の材料と接続層との間の界面における非常に高品質の冶金学的接合を達成することができる。 A very high quality metallurgical bond at the interface between the first material and the connecting layer or between the second material and the connecting layer can thus be achieved.

したがって、それぞれの表面の非常に信頼できる接続が達成され得、これは、パワー半導体モジュールの高い動作能力を可能にし得、これは、低品質の接合による損傷を回避し得る。 A very reliable connection of the respective surfaces may thus be achieved, which may enable a high operating capacity of the power semiconductor module, which may avoid damage due to poor quality joints.

それとは別に、パワー半導体モジュールは、端子と基板または基板メタライゼーションとの間の安定かつ信頼性の高い接続により、高い安全性で動作することができる。 Apart from that, the power semiconductor module can operate with high safety due to the stable and reliable connection between the terminals and the substrate or substrate metallization.

上記とは別に、超音波溶接中にセラミック基板に亀裂が入り、メタライゼーションギャップが低減または短絡さえする可能性をさらに回避することができる。これは、上述の方法が、端子と基板との穏やかで効果的な接続技術を可能にするという事実に起因し得る。 Apart from the above, the possibility of cracking of the ceramic substrate during ultrasonic welding and reducing or even shorting the metallization gap can be further avoided. This may be due to the fact that the method described above allows a gentle and effective connection technique between the terminal and the substrate.

接続層を提供するステップは、低温気体噴霧(CGS)のステップを含んでもよい。CGSに関し、このプロセスはコーティング堆積法である。固体粉末が、超音速ガスジェット内で高速に加速される。コーティングされる材料との衝突中、塑性変形を経て、表面に付着する。この方法によれば、接続層は、例えば厚みおよび使用される材料に関して、特に信頼性が高く適応性があるように適用され得る。それとは別に、この方法は、それぞれの第1および第2の接続領域の幾何学的形状にかかわらず、実行することができる。 Providing a connecting layer may include a step of cold gas spraying (CGS). For CGS, this process is a coating deposition method. A solid powder is accelerated to high velocity in a supersonic gas jet. During the collision with the material to be coated, it undergoes plastic deformation and adheres to the surface. According to this method, the connecting layer can be applied in a particularly reliable and flexible manner, for example with respect to the thickness and the materials used. Alternatively, the method can be carried out irrespective of the geometry of the respective first and second connection regions.

低温気体噴霧は、一般に、第1の材料および第2の材料とは独立して使用され得る。
しかしながら、非限定的な例として、この実施形態は、第1および第2の材料として銅およびアルミニウムの組み合わせで用いられてもよい。これに関して、AI/AlN/Al基板は、高いサイクル信頼性を有し、活性金属ろう付けCu/AlN/Cu基板と比較して銀イオンマイグレーションの問題が現れないので、高電圧電力モジュールに好ましいことが多い。しかしながら、先行技術によれば、このような種類のAI/AIN/AI基板上に銅系端子を溶接することは非常に困難である。これは、アルミニウムメタライゼーションが端子の材料としての銅よりもはるかに軟質であり、そのため、銅系端子はアルミニウムメタライゼーションに押し込まれ得るという事実に起因し得る。さらに、この場合、基板のセラミック材料AINは非常に割れやすい。
Cold gas atomization can generally be used independently of the first material and the second material.
However, as a non-limiting example, this embodiment may be used with a combination of copper and aluminum as the first and second materials. In this regard, AI/AlN/Al substrates are preferred for high voltage power modules as they have high cycle reliability and do not exhibit silver ion migration problems compared to active metal brazed Cu/AlN/Cu substrates. There are many. However, according to the prior art, it is very difficult to weld copper-based terminals on these types of AI/AIN/AI substrates. This may be due to the fact that aluminum metallization is much softer than copper as the material of the terminal, so copper-based terminals can be forced into the aluminum metallization. Moreover, in this case the ceramic material AIN of the substrate is very susceptible to cracking.

したがって、低温気体噴霧は、溶接によって銅とアルミニウムとを接続するために接続層を設けるための非常に効果的な実施形態である。 Therefore, cold gas atomization is a very effective embodiment for providing a connecting layer for connecting copper and aluminum by welding.

したがって、追加の銅層が、CGSによって、基板の既存のアルミニウムメタライゼーション上に、選択的領域内において設けられてもよく、そこで、すなわち第2の接続領域において、端子接合が起こる。この銅被覆領域は、接続層によってアルミニウムメタライゼーションおよびセラミックAlN基板を保護することによって、アルミニウムメタライゼーション上の銅端子の超音波溶接またはレーザ溶接を可能にする。 Therefore, an additional copper layer may be provided by CGS on the existing aluminum metallization of the substrate in selective areas, where the terminal bonding takes place, ie in the second connection area. This copper cladding area allows ultrasonic or laser welding of copper terminals on the aluminum metallization by protecting the aluminum metallization and the ceramic AlN substrate by a connecting layer.

さらに、低温気体噴霧が他の方法と置換されてもよく、例えば、選択的レーザ溶融(SLM)または多層の低温気体噴霧が、例えば、材料がアルミニウムから銅に徐々に変化するような層の組成の変化とともに使用され得る。これは、以下でより詳細に説明される。 Furthermore, cryogenic gas atomization may be replaced by other methods, for example selective laser melting (SLM) or multilayer cryogenic gas atomization, e.g. the composition of the layers such that the material changes gradually from aluminum to copper. may be used with variations in This will be explained in more detail below.

さらに、接続層を提供するステップは、金属めっきのステップを含んでもよい。ここで、金属めっきとは、導電性表面に金属を堆積させる表面被覆プロセスである。これは、例えば、電気めっきおよび無電解めっきの両方を含む。 Additionally, providing the connection layer may include metal plating. Here, metal plating is a surface coating process that deposits metal onto a conductive surface. This includes, for example, both electroplating and electroless plating.

金属めっきは、概して、第1の材料および第2の材料とは独立して使用され得る。
しかしながら、非限定的な例として、この実施形態は、プレスばめ端子をセラミック基板などの基板のメタライゼーション、特にアルミニウムメタライゼーションまたは特に銅メタライゼーションに接続するために使用されてもよい。
Metal plating can generally be used independently of the first material and the second material.
However, as a non-limiting example, this embodiment may be used to connect a press-fit terminal to the metallization of a substrate such as a ceramic substrate, in particular aluminum metallization or especially copper metallization.

プレスばめ端子は、その高信頼性、高温度性能、およびインバータアセンブリなどのアセンブリ中の単純性のため、パワーモジュールパッケージングにおける補助端子として広く使用されている。しかしながら、プレスばめ端子は、組み立て中に冶金学的結合を形成し、高い動作温度でも接触を信頼できる状態に保つことができるように、CuNiSiから形成されるような硬質銅合金でなければならない。先行技術によれば、銅メタライゼーション上におけるプレスばめ端子の超音波溶接は非常に困難であり、なぜならば、特に補助端子の接合脚部は典型的には小さく、基板のCuメタライゼーションはCuNiSi合金よりもはるかに軟質であるからである。 Press-fit terminals are widely used as auxiliary terminals in power module packaging due to their high reliability, high temperature performance, and simplicity during assembly, such as inverter assemblies. However, press-fit terminals must be hard copper alloys, such as those formed from CuNiSi, so that they can form a metallurgical bond during assembly and keep the contact reliable even at high operating temperatures. . According to the prior art, ultrasonic welding of press-fit terminals on copper metallization is very difficult, especially since the joining legs of the auxiliary terminals are typically small and the Cu metallization of the substrate is CuNiSi. This is because it is much softer than alloys.

めっきを使用することにより、非常に簡単な製造プロセスが可能になり、さらに、非常に薄い層を接続層として形成することができる。特にこの実施形態では、銅メタライゼーションに接続層を設けることが可能であり、接続層または少なくともその表面サブ層は、銅メタライゼーションと比較して硬度を高めるために、NiAg合金などの合金または層配列Ni/AuもしくはNi/Cuを有する多層構造から形成される。これは、溶接中に界面でより強い摩擦をもたらすことを可能にし、それは次いで安定かつ信頼性のある冶金学的結合をもたらす。 The use of plating allows a very simple manufacturing process and, moreover, very thin layers can be formed as connection layers. Particularly in this embodiment it is possible to provide the copper metallization with a connection layer, the connection layer or at least its surface sublayer comprising an alloy or layer, such as a NiAg alloy, to increase the hardness compared to the copper metallization. It is formed from a multilayer structure with the arrangement Ni/Au or Ni/Cu. This allows for stronger friction at the interface during welding, which in turn results in a stable and reliable metallurgical bond.

上述のように、例えば、プレスばめ補助端子が導電性構造体として基板メタライゼーションに接続されるべきである場合、本方法は非常に効果的であり得、なぜならば、その場合、異なる材料が互いに溶接されなければならないことが多いからである。したがって、本発明は、溶接された補助プレスばめ端子を有する高温かつ高出力の半導体モジュールを形成することを可能にする。 As mentioned above, the method can be very effective if, for example, a press-fit auxiliary terminal is to be connected to the substrate metallization as a conductive structure, since in that case different materials This is because they often have to be welded together. The invention thus makes it possible to form high temperature and high power semiconductor modules with welded auxiliary press-fit terminals.

上記によれば、端子は補助プレスばめ端子であってもよい。これに関して、プレスばめ端子は、永久電気的および機械的な端子対PCB接続を可能にするために使用され、それは、通常は硬質Cu合金、すなわちCuNiSi、CuSn合金である、異なる材料から作製することができる。 According to the above, the terminal may be an auxiliary press-fit terminal. In this regard, press-fit terminals are used to enable permanent electrical and mechanical terminal-to-PCB connections, which are made from different materials, usually hard Cu alloys, namely CuNiSi, CuSn alloys. be able to.

さらに、接続層を提供するステップは、接続ベース領域上に予め形成された層を接合するステップを含んでもよい。これは、例えば焼結によって行うことができる。 Additionally, providing a connection layer may include bonding a preformed layer onto the connection base region. This can be done, for example, by sintering.

この実施形態は、大きい厚みを有する接続層を提供することを可能にし、これは、過酷な溶接条件が使用されるべき場合、およびパワーモジュールが高電力および高温で動作する場合に利点を示し得る。 This embodiment makes it possible to provide a connection layer with a large thickness, which may show advantages when harsh welding conditions are to be used and when the power module operates at high powers and high temperatures. .

非限定的な例として、この実施形態によれば、小さい厚みもしくは大きい厚みを有する銅板、またはCuNiSi合金などの銅合金から作製された板が、端子上などの第1の接続領域上に、たとえば同時に、したがってチップ取り付けの同じプロセスステップで焼結されてもよい。これはまた、アルミニウムメタライゼーション上の銅端子の超音波溶接と、銅またはアルミニウムメタライゼーション上の、銅合金を含むプレスばめ端子の超音波溶接との両方を可能にする。 As a non-limiting example, according to this embodiment, a copper plate having a small thickness or a large thickness or a plate made from a copper alloy, such as a CuNiSi alloy, is placed on a first connection area, such as on a terminal, e.g. It may be sintered at the same time and therefore in the same process step of chip attachment. This also allows both the ultrasonic welding of copper terminals on aluminum metallization and the ultrasonic welding of press-fit terminals, including copper alloys, on copper or aluminum metallization.

したがって、特に、接続層を提供するステップは、接続ベース領域上に予め形成された層を焼結するステップを含んでもよい。特に、第1の接続領域上または第2の接続領域上に予め形成された層を焼結することに関して、このステップは、接続層として予め形成された層を提供することによって、上述の利点が相殺される危険性がないように、耐久性および信頼性のある接続を提供することができる。 Thus, in particular, the step of providing the connection layer may include the step of sintering a pre-formed layer on the connection base region. In particular with respect to sintering the preformed layer on the first connection area or on the second connection area, this step achieves the above-mentioned advantages by providing the preformed layer as a connection layer. A durable and reliable connection can be provided so that there is no risk of offset.

さらに、端子は超音波溶接を用いて基板に接続されてもよい。特に、超音波溶接を使用することによって、比較的より軟質の材料が比較的より硬質の材料によって損傷され、つまり、言い換えれば、比較的より硬質の材料が上述のように比較的より軟質の材料に押し込まれるという問題が生じ得ることが分かっている。したがって、説明されるような利点は、端子が、超音波溶接によって、基板に、したがって特に基板メタライゼーションに接続される場合に、特に効果的である。 Additionally, the terminals may be connected to the substrate using ultrasonic welding. In particular, by using ultrasonic welding, a relatively softer material is damaged by a relatively harder material, or in other words, a relatively harder material is damaged by a relatively softer material as described above. It has been found that problems can arise where the The advantages as described are therefore particularly effective if the terminal is connected to the substrate, and thus in particular to the substrate metallization, by ultrasonic welding.

さらに、第1の材料が、銅合金、したがって特に高硬度銅合金からなるなど、それを含み、第2の材料が、銅、特に軟質銅からなるなど、それを含み、または第2の材料が、銅合金、したがって特に高硬度銅合金からなるなど、それを含み、第1の材料が、銅、特に軟質銅からなるなど、それを含んでもよい。これに関して、より詳細には、軟質銅は軟質焼鈍銅であり、軟質焼鈍銅は、例示的であり、決して限定的なものではないが、50~70HVの範囲にある硬度を有し、その硬度は、DIN EN ISO6507-1:2018~6507-4:2018に従って決定することができる。例えば、セラミック基板などの基板メタライゼーションは、そのような軟質焼鈍銅によって形成されることが多い。さらに、高硬度銅合金に関して、それは、例えば、120~200HVの例示的かつ非限定的な範囲内の硬度を有してもよい。これは、CuNiSi合金を含むか、またはCuNiSi合金からなってもよく、それは、例えば、プレスばめ端子等の補助端子内の材料であってもよい。 Furthermore, the first material comprises, such as consists of, a copper alloy, thus in particular a hard copper alloy, and the second material comprises, such as consists of, or the second material consists of, or , a copper alloy, and thus in particular a hard copper alloy, and the first material may consist of, for example, a copper alloy, in particular a soft copper alloy. In this regard, in more detail, soft copper is soft annealed copper having, by way of example and by no means by way of limitation, a hardness in the range of 50 to 70 HV; can be determined according to DIN EN ISO 6507-1:2018 to 6507-4:2018. For example, substrate metallization, such as ceramic substrates, is often formed from such soft annealed copper. Further, with respect to high hardness copper alloys, it may have a hardness within the exemplary and non-limiting range of, for example, 120-200 HV. This may include or consist of a CuNiSi alloy, and it may be the material in the auxiliary terminal, such as a press-fit terminal, for example.

さらに、第1の材料がアルミニウムからなるなど、それを含み、第2の材料が銅からなるなど、それを含み、または第1の材料が銅からなるなど、それを含み、第2の材料がアルミニウムからなるなど、それを含んでもよい。この実施形態によれば、やはり、銅およびアルミニウムは異なる硬度を有する材料であり、したがって、超音波溶接またはレーザ溶接によってこれらの材料を接続することは、説明されるような問題につながり得る。したがって、この場合もやはり、本方法は非常に効果的であり得る。 Further, the first material is made of or includes aluminum, the second material is made of or includes copper, or the first material is made of or includes copper, and the second material is It may be made of or contain aluminum. According to this embodiment, again, copper and aluminum are materials with different hardness, so connecting these materials by ultrasonic or laser welding can lead to problems as described. Therefore, once again, the method can be very effective.

このような実施形態は、例えば、AI/AIN/AI基板を含む高電圧パワーモジュールにおいて存在し得、たとえば実現することができる。そのような基板は、高電圧用途に好適であり得、なぜならば、それは、高いサイクル信頼性を有し、例えば、活性金属ろう付け(AMB)を使用する場合に、銀イオン移動を回避することができ、それは、例えば、Cu/セラミック/Cu基板とは対照的であるからである。しかしながら、銅系端子を比較的軟質のアルミニウムメタライゼーション上に溶接することは、銅材料を上述のようにアルミニウムメタライゼーションに押し込み得るので、困難である。 Such embodiments may exist and may be implemented, for example, in high voltage power modules that include AI/AIN/AI substrates. Such a substrate may be suitable for high voltage applications because it has high cycle reliability and avoids silver ion migration when using active metal brazing (AMB), for example. , as opposed to, for example, a Cu/ceramic/Cu substrate. However, welding copper-based terminals onto relatively soft aluminum metallization is difficult because the copper material can be forced into the aluminum metallization as described above.

さらに、接続層は、表面サブ層に加えてベースサブ層を含むように形成され、ベースサブ層は、表面サブ層が接続相手領域の材料を含み、ベースサブ層が接続ベース領域の材料を含むように、接続ベース領域に直接隣接して配置されてもよい。 Furthermore, the connection layer is formed such that in addition to the surface sublayer it includes a base sublayer, the surface sublayer comprising the material of the connection partner region and the base sublayer comprising the material of the connection base region. may be located directly adjacent to the connection base region.

言い換えれば、表面サブ層は、接続層を、接続ベース領域、すなわち、より低い硬度を有する第1または第2の接続領域に取り付けた後、接続層の表面を形成する。したがって、接続層を接続ベース領域に取り付けた後、表面サブ層は、接続相手領域と対向し、したがって、より高い硬度を有する第1または第2の接続領域と対向する。 In other words, the surface sub-layer forms the surface of the connection layer after attachment of the connection layer to the connection base region, ie the first or second connection region with lower hardness. Thus, after attaching the connection layer to the connection base area, the surface sublayer faces the connection partner area and therefore the first or second connection area with higher hardness.

そのような構成は、特に2つより多い複数の層、したがってベースサブ層および表面サブ層より多い層を有する場合、それぞれ、多層構造または多層構成とも呼ばれ得る。したがって、それは、直接、2層構成において、または、徐々に、2層より多い層を有する構成において、その組成を変化させて、端子の第1の材料が接続層の同じ材料に接続され、それに対応して、基板メタライゼーションの第2の材料が接続層の同じ材料に接続されるようにすることができる。したがって、材料変化は、端子から導電性構造に向かう方向に存在する。 Such a configuration may also be referred to as a multilayer structure or a multilayer configuration, in particular if it has a plurality of more than two layers, thus more than a base sublayer and a surface sublayer, respectively. It is therefore possible to change its composition, either directly in a two-layer configuration or gradually in a configuration with more than two layers, so that the first material of the terminal is connected to the same material of the connecting layer and Correspondingly, the second material of the substrate metallization can be connected to the same material of the connection layer. Therefore, the material change exists in the direction from the terminal towards the conductive structure.

そのような実施形態は、端子の、基板への、特に信頼性が高く安定した接続を、可能にすることができる。したがって、記載された本発明の利点は、この実施形態によれば特に顕著であり得る。 Such an embodiment may allow a particularly reliable and stable connection of the terminal to the substrate. The advantages of the invention described may therefore be particularly pronounced according to this embodiment.

したがって、接続層は、その組成を第1の材料から第2の材料に連続的に変化させ得る。 Thus, the connecting layer may continuously change its composition from the first material to the second material.

さらに、接続層は、基板メタライゼーション上および基板メタライゼーションに隣接する基板の本体上に連続的に設けられてもよい。したがって、この実施形態によれば、基板上、すなわち基板本体上と基板メタライゼーション上との両方に配置される連続接続層が提供される。これは、例えば、CGSまたはSLMによって行われ得る。この実施形態によれば、端子は、少なくとも部分的に、例えば完全に、メタライゼーションの隣に、したがって少なくとも部分的にまたは完全に基板本体上に位置決めすることができる。しかしながら、連続した接続層により、端子からメタライゼーションに電流または信号を転送するための接続が依然として可能である。 Furthermore, the connecting layer may be provided continuously on the substrate metallization and on the body of the substrate adjacent to the substrate metallization. According to this embodiment, therefore, a continuous connection layer is provided which is arranged on the substrate, ie both on the substrate body and on the substrate metallization. This may be done, for example, by a CGS or an SLM. According to this embodiment, the terminal can be positioned at least partially, for example completely, next to the metallization and thus at least partially or completely on the substrate body. However, the continuous connection layer still allows connections for transferring current or signals from the terminal to the metallization.

この実施形態は、アルミニウム層などの軟質層を下に有することなく端子を提供することを可能にする。これは、超音波溶接またはレーザ溶接のプロセスウィンドウを広げることができる。次いで、端子の、導電性構造への、特に信頼性の高い接続を提供することができる。したがって、記載される本発明の利点は、この実施形態によれば特に顕著であり得る。 This embodiment makes it possible to provide a terminal without having an underlying soft layer, such as an aluminum layer. This can widen the process window for ultrasonic or laser welding. A particularly reliable connection of the terminal to the electrically conductive structure can then be provided. The described advantages of the invention may therefore be particularly pronounced according to this embodiment.

本方法のさらなる利点および技術的特徴に関して、パワー半導体モジュール、図面およびさらなる記載に言及する。 Regarding further advantages and technical features of the method, reference is made to the power semiconductor module, the drawing and the further description.

さらに記載されるのは、パワー半導体モジュールであって、パワー半導体デバイスと接触し、端子と接触するための基板メタライゼーションを備え、および基板メタライゼーション上に配置される端子を備え、端子は、第1の材料から形成される第1の接続領域を有し、基板は、第2の材料から形成される第2の接続領域を有し、第1の材料は、第1の硬度を有し、第2の材料は、第2の硬度を有し、第1の硬度は、第2の硬度とは異なり、端子は、それの第1の接続領域で、基板に、それの第2の接続領域で接続され、硬度がより高いそのような第1の接続領域または第2の接続領域は接続相手領域を形成し、硬度がより低いそのような第1の接続領域または第2の接続領域は接続ベース領域を形成し、第1の接続領域と第2の接続領域との間に接続層が提供され、この接続層は、接続相手領域の硬度に対応する硬度を有する材料から形成される表面サブ層を有し、表面層は接続相手領域に面する。 Further described is a power semiconductor module in contact with a power semiconductor device, comprising a substrate metallization for contacting a terminal, and comprising a terminal disposed on the substrate metallization, the terminal comprising a first the substrate has a second connection region formed from a second material, the first material has a first hardness; the second material has a second hardness, the first hardness is different from the second hardness, and the terminal is connected to the substrate at its first connection area and at its second connection area. such a first connection area or a second connection area with a higher hardness forming a connection partner area and such a first connection area or a second connection area with a lower hardness forming a connection A connecting layer is provided between the first connecting area and the second connecting area, the connecting layer forming a base area, the connecting layer comprising a surface sub-layer formed from a material having a hardness corresponding to the hardness of the connecting partner area. layer, the surface layer facing the connection partner area.

端子は、好ましくは補助プレスばめ端子である。そのような端子は、通常、CuNiSiなどの高硬度銅合金で形成されるのに対して、基板メタライゼーションは、通常、非常に軟質の焼鈍銅で形成される。特に超音波溶接またはレーザ溶接によってこのような部品を接続する場合、これは、より軟質の材料、すなわちメタライゼーションまたは基板本体の、亀裂による損傷につながる可能性がある。 The terminals are preferably auxiliary press-fit terminals. Such terminals are typically formed from a hard copper alloy such as CuNiSi, whereas the substrate metallization is typically formed from very soft annealed copper. Particularly when connecting such parts by ultrasonic or laser welding, this can lead to damage by cracks of the softer materials, ie the metallization or the substrate body.

このようなパワー半導体モジュールは、本方法に関して詳細に説明される、先行技術に勝る著しい利点を提供する。要約すると、接続層を設けることによって、超音波溶接またはレーザ溶接の過程で、より軟質の材料が損傷する危険性なしに、パワー半導体モジュールを製造することができる。代わりに、端子と導電性構造体との間の非常に安定した信頼性の高い電気的接続を提供することができ、これにより、パワー半導体モジュールの安全で信頼性の高い高性能の動作挙動が可能になる。 Such a power semiconductor module offers significant advantages over the prior art, which are explained in detail with respect to the present method. In summary, by providing a connecting layer, power semiconductor modules can be manufactured without the risk of damaging softer materials during ultrasonic or laser welding processes. Instead, it can provide a very stable and reliable electrical connection between the terminal and the conductive structure, which ensures safe, reliable and high-performance operating behavior of the power semiconductor module. It becomes possible.

上記を要約すると、本発明は、2つの異種材料をいかにして異なるハーネスで溶接するかという重要な目的を解決し、次いで、高度なパワーモジュール設計を可能にする。 To summarize the above, the present invention solves the important objective of how to weld two dissimilar materials with different harnesses, thus enabling advanced power module designs.

パワー半導体モジュールのさらなる利点および技術的特徴に関して、方法、図面およびさらなる説明を参照する。 For further advantages and technical features of the power semiconductor module, reference is made to the method, the drawings and the further description.

図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになり、それらを参照して解明されるであろう。実施形態に開示される個々の特徴は、単独で、または組み合わせて、本発明の態様を構成することができる。異なる実施形態の特徴は、ある実施形態から別の実施形態に持ち越すことができる。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other aspects of the invention will become apparent from and be elucidated with reference to the embodiments described below. Individual features disclosed in the embodiments can constitute aspects of the invention alone or in combination. Features of different embodiments may be carried over from one embodiment to another.

本発明によるパワー半導体モジュールの第1の実施形態の部分破断断面側面図である。1 is a partially cutaway sectional side view of a first embodiment of a power semiconductor module according to the invention; FIG. 本発明によるパワー半導体モジュールの第2の実施形態の部分破断断面側面図である。FIG. 3 is a partially cutaway sectional side view of a second embodiment of a power semiconductor module according to the invention; 本発明によるパワー半導体モジュールの第3の実施形態の部分破断断面側面図を示す。FIG. 3 shows a partially cutaway sectional side view of a third embodiment of a power semiconductor module according to the invention;

実施形態の説明
図1は、パワー半導体モジュール10を示す。パワー半導体モジュール10は、窒化アルミニウムなどのセラミックから形成されてもよい基板本体14と、焼鈍軟銅などの銅から形成されてもよい基板メタライゼーション16とを有する基板12を備える。さらに、基板本体14は、さらなる銅層20によってベースプレート18に接続され、層20は、底部メタライゼーションとして説明され得る。したがって、このような基板12は、Cu/セラミック/Cu基板またはCu/AlN/Cu基板である。
DESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS FIG. 1 shows a power semiconductor module 10 . Power semiconductor module 10 includes a substrate 12 having a substrate body 14, which may be formed from a ceramic, such as aluminum nitride, and a substrate metallization 16, which may be formed from copper, such as annealed soft copper. Furthermore, the substrate body 14 is connected to the base plate 18 by a further copper layer 20, which layer 20 may be described as a bottom metallization. Such a substrate 12 is therefore a Cu/ceramic/Cu substrate or a Cu/AlN/Cu substrate.

基板メタライゼーション16は、導電性構造を形成し、とりわけ、パワー半導体デバイス(そのようには図示されず)を電力端子24および補助端子26などの端子22に接続する役割を果たす。端子22、特に補助端子26は、CuNiSiなどの硬質銅合金から形成することができる。 Substrate metallization 16 forms a conductive structure and serves, among other things, to connect power semiconductor devices (not shown as such) to terminals 22, such as power terminals 24 and auxiliary terminals 26. Terminals 22, particularly auxiliary terminals 26, may be formed from a hard copper alloy such as CuNiSi.

各端子22は、第1の材料から形成される第1の接続領域28を含み、基板12は、第2の材料から形成される第2の接続領域30を有し、第1の材料は第1の硬度を有し、第2の材料は第2の硬度を有し、第1の硬度は第2の硬度とは異なることがさらに示されている。 Each terminal 22 includes a first connection region 28 formed from a first material, and the substrate 12 has a second connection region 30 formed from a second material, the first material being a first material. 1 and the second material has a second hardness, the first hardness being different than the second hardness.

これは主に、端子22および基板メタライゼーション16について上述したような材料によるものである。 This is primarily due to the materials as described above for terminals 22 and substrate metallization 16.

端子22を基板12、すなわち基板メタライゼーション16に接続するために、超音波溶接またはレーザ溶接を使用する。それぞれの接続領域28、30は、溶接ステップによる欠点をもたらし得る異なる材料から形成されるので、端子22を基板12に接続することは、接続層32によって行われる。 Ultrasonic or laser welding is used to connect the terminals 22 to the substrate 12, ie, the substrate metallization 16. Connecting the terminals 22 to the substrate 12 is done by means of a connecting layer 32, since the respective connecting areas 28, 30 are formed from different materials, which may introduce drawbacks due to welding steps.

より詳細には、端子22、特に図1の実施形態によれば補助プレスばめ端子26は、超音波溶接またはレーザ溶接を使用することによって基板12に接続される。これに関して、ソノトロードなどの溶接ツール34が示されている。 More particularly, the terminals 22, and in particular the auxiliary press-fit terminals 26 according to the embodiment of FIG. 1, are connected to the substrate 12 by using ultrasonic or laser welding. In this regard, a welding tool 34, such as a sonotrode, is shown.

さらに、端子22を基板12に接続する前に、接続層32が設けられ、接続層32は、図では接続層32の唯一の層である表面サブ層を有する。接続層32は、接続相手領域、すなわち、より高い硬度を有する接続領域28、30の硬度に対応する硬度を有する材料から形成される。接続層32は、接続ベース領域、すなわち、図1では第2の接続領域30である、より低い硬度を有する接続領域28、30上に提供される。したがって、接続層32の材料、したがってその硬度は、補助端子26の銅合金の硬度に対応する。 Furthermore, before connecting the terminals 22 to the substrate 12, a connection layer 32 is provided, which has a surface sublayer, which is the only layer of the connection layer 32 in the figure. The connection layer 32 is formed from a material with a hardness that corresponds to the hardness of the connection partner region, ie the connection region 28, 30, which has a higher hardness. A connecting layer 32 is provided on the connecting region 28, 30 with lower hardness, which is the connecting base region, ie the second connecting region 30 in FIG. The material of the connection layer 32 and therefore its hardness therefore corresponds to the hardness of the copper alloy of the auxiliary terminal 26.

したがって、接続層32は、第2の接続領域30上に提供され、接続層32は、第1の材料、すなわち補助端子26の銅合金の硬度に対応する硬度を有する材料から形成される。 A connection layer 32 is therefore provided on the second connection area 30, the connection layer 32 being formed from a material having a hardness corresponding to the hardness of the first material, ie the copper alloy of the auxiliary terminal 26.

接続層32を設けるステップは、少なくとも、第2の接続領域30上に、低温気体噴霧ステップ、金属めっきステップ、および予め形成された層を接合するステップのうちの少なくとも1つを含むことができる。 Providing the connection layer 32 may include at least one of a cold gas spraying step, a metal plating step, and bonding a preformed layer onto the second connection region 30.

図2には、さらなる実施形態が示されており、同じまたは同等の構成要素は、図2と比較して同じ参照番号によって定義されている。 A further embodiment is shown in FIG. 2, in which the same or equivalent components are defined by the same reference numerals compared to FIG.

図2によれば、図1と比較して概して同じことが当てはまる。
しかしながら、図2によれば、基板は、Al/セラミック/AlN基板、またはより詳細にはAl/AlN/Al基板である。したがって、パワー半導体モジュール10は、窒化アルミニウムから形成されてもよい基板本体14と、アルミニウムから形成されてもよい基板メタライゼーション16とを有する基板12を備える。さらに、基板本体14は、層20としての、したがって底部メタライゼーションとしてのさらなるアルミニウム層によってベースプレート18に接続される。
According to FIG. 2, the same generally applies compared to FIG.
However, according to FIG. 2, the substrate is an Al/ceramic/AlN substrate, or more particularly an Al/AlN/Al substrate. The power semiconductor module 10 thus comprises a substrate 12 having a substrate body 14, which may be formed from aluminum nitride, and a substrate metallization 16, which may be formed from aluminum. Furthermore, the substrate body 14 is connected to the base plate 18 by a further aluminum layer as layer 20 and thus as bottom metallization.

したがって、基板12への端子22の超音波溶接を実現するために、ここでも、それぞれの接続層32が第2の接続層30上に設けられる。 Therefore, in order to realize ultrasonic welding of the terminals 22 to the substrate 12, a respective connection layer 32 is provided here again on the second connection layer 30.

しかしながら、基板メタライゼーション16がアルミニウムから形成されるので、接続層32が電力端子24と基板12との間にも設けられ、なぜならば、超音波溶接を使用することによって、アルミニウムと電力端子の銅との組み合わせも問題につながるかもしれないからである。 However, since the substrate metallization 16 is formed from aluminum, a connection layer 32 is also provided between the power terminals 24 and the substrate 12, since by using ultrasonic welding, the aluminum and the copper of the power terminals are This is because the combination may also lead to problems.

接続層32は、第2の接続領域30上に提供され、接続層32は、第1の材料、すなわち、それぞれ補助端子26の銅合金または電力端子の銅の硬度に対応する硬度を有する材料から形成される。 A connection layer 32 is provided on the second connection area 30, the connection layer 32 being made of a first material, namely a material having a hardness corresponding to the hardness of the copper alloy of the auxiliary terminal 26 or the copper of the power terminal, respectively. It is formed.

図3には、さらなる実施形態が示されており、同じまたは同等の構成要素は、図3と比較して同じ参照番号によって定義されている。 A further embodiment is shown in FIG. 3, in which the same or equivalent components are defined by the same reference numerals compared to FIG.

図3によれば、図2に比較して、基板は、Al/セラミック/AlN基板、またはより詳細にはAl/AlN/Al基板である。したがって、パワー半導体モジュール10は、窒化アルミニウムから形成されてもよい基板本体14と、アルミニウムから形成されてもよい基板メタライゼーション16とを有する基板12を備える。さらに、基板本体14は、層20としての、したがって底部メタライゼーションとしてのさらなるアルミニウム層によって、ベースプレート18に接続される。 According to FIG. 3, compared to FIG. 2, the substrate is an Al/ceramic/AlN substrate, or more specifically an Al/AlN/Al substrate. The power semiconductor module 10 thus comprises a substrate 12 having a substrate body 14, which may be formed from aluminum nitride, and a substrate metallization 16, which may be formed from aluminum. Furthermore, the substrate body 14 is connected to the base plate 18 by a further aluminum layer as layer 20 and thus as bottom metallization.

したがって、基板12への端子22の超音波溶接を実現するために、ここでも、それぞれの接続層32が第2の接続層30上に設けられる。 Therefore, in order to realize ultrasonic welding of the terminals 22 to the substrate 12, a respective connection layer 32 is provided here again on the second connection layer 30.

しかしながら、基板メタライゼーション16がアルミニウムから形成されるので、接続層32が電力端子24と基板12との間にも設けられ、なぜならば、超音波溶接を使用することによって、アルミニウムと電力端子の銅との組み合わせも問題につながるかもしれないからである。 However, since the substrate metallization 16 is formed from aluminum, a connection layer 32 is also provided between the power terminals 24 and the substrate 12, since by using ultrasonic welding, the aluminum and the copper of the power terminals are This is because the combination may also lead to problems.

接続層32は、第2の接続領域30上に提供され、接続層32は、第1の材料、すなわち、それぞれ補助端子26の銅合金または電力端子の銅の硬度に対応する硬度を有する材料から形成される。 A connection layer 32 is provided on the second connection area 30, the connection layer 32 being made of a first material, namely a material having a hardness corresponding to the hardness of the copper alloy of the auxiliary terminal 26 or the copper of the power terminal, respectively. It is formed.

しかしながら、図2および図1に加えて、接続層32は、メタライゼーション16上および基板メタライゼーションに隣接する基板本体14上に連続的に設けられる。これは、例えば、CGSまたはSLMによって実現されてもよい。 However, in addition to FIGS. 2 and 1, a connecting layer 32 is provided continuously on the metallization 16 and on the substrate body 14 adjacent to the substrate metallization. This may be realized, for example, by CGS or SLM.

本発明は、図面および前述の説明において詳細に図示および説明されているが、そのような図示および説明は、例示的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は、開示される実施形態に限定されない。開示される実施形態に対する他の変形形態は、図面、本開示、および特許請求の範囲の検討から、特許請求される発明を実施する際に当業者によって理解され、実施され得る。請求項において、「備える/含む(comprising)」という語は、他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「a」または「an」は、複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。 While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and foregoing description, such illustration and description are to be considered illustrative and not restrictive, and the invention The present invention is not limited to the embodiments described above. Other variations to the disclosed embodiments will be understood and may be practiced by those skilled in the art from a consideration of the drawings, this disclosure, and the claims in practicing the claimed invention. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a" or "an" does not exclude a plurality. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage. Any reference signs in the claims shall not be construed as limiting the scope.

10 パワー半導体モジュール
12 基板
14 本体
16 メタライゼーション
18 ベースプレート
20 層
22 端子
24 電力端子
26 補助端子
28 第1の接続領域
30 第2の接続領域
32 接続層
34 溶接ツール
10 Power semiconductor module 12 Substrate 14 Body 16 Metallization 18 Base plate 20 Layer 22 Terminal 24 Power terminal 26 Auxiliary terminal 28 First connection area 30 Second connection area 32 Connection layer 34 Welding tool

Claims (14)

パワー半導体モジュール(10)を形成するために基板(12)に端子(22)を接続する方法であって、前記端子(22)は、第1の材料から形成される第1の接続領域(28)を有し、前記基板(12)は、第2の材料から形成される第2の接続領域(30)を有し、前記第1の材料は、第1の硬度を有し、前記第2の材料は、第2の硬度を有し、前記第1の硬度は、前記第2の硬度とは異なり、硬度がより高いそのような第1の接続領域(28)または第2の接続領域(30)は接続相手領域を形成し、硬度がより低いそのような第1の接続領域(28)または第2の接続領域(30)は接続ベース領域を形成し、前記端子(22)は、超音波溶接またはレーザ溶接によって前記基板(12)に接続され、前記端子(22)を前記基板(12)に接続する前に、前記方法は、前記接続相手領域の硬度に対応する硬度を有する材料から形成される表面サブ層を有する接続層(32)を提供するステップを含み、前記接続層(32)は、前記接続ベース領域上に設けられ、前記表面サブ層は、前記接続相手領域に対向することを特徴とする、方法。 A method of connecting terminals (22) to a substrate (12) to form a power semiconductor module (10), wherein said terminals (22) are connected to a first connection region (28) formed from a first material. ), the substrate (12) has a second connection region (30) formed from a second material, the first material has a first hardness, the second has a second hardness, said first hardness being different from said second hardness such that said first connection region (28) or said second connection region (28) has a higher hardness. 30) forms a connection partner area, such a first connection area (28) or a second connection area (30) with lower hardness forms a connection base area, said terminal (22) Connected to said substrate (12) by sonic welding or laser welding, before connecting said terminal (22) to said substrate (12), said method comprises: providing a connection layer (32) having a surface sublayer formed, said connection layer (32) being provided on said connection base region, said surface sublayer facing said connection partner region; A method characterized by: 前記接続層(32)を提供するステップは、低温気体噴霧または選択的レーザ溶融のステップを含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。 Method according to claim 1, characterized in that the step of providing the connecting layer (32) comprises a step of cold gas atomization or selective laser melting. 前記接続層(32)を提供するステップは、金属めっきのステップを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。 Method according to claim 1 or 2, characterized in that the step of providing the connecting layer (32) comprises a step of metal plating. 前記接続層を提供するステップ(32)は、前記接続ベース領域上に予め形成された層を接合するステップを含むことを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。 4. A method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the step (32) of providing the connection layer comprises the step of bonding a pre-formed layer on the connection base area. 前記接続層を提供するステップ(32)は、前記接続ベース領域上に予め形成された層を焼結するステップを含むことを特徴とする、請求項4に記載の方法。 5. Method according to claim 4, characterized in that the step (32) of providing the connection layer comprises the step of sintering a pre-formed layer on the connection base region. 前記端子(22)は、超音波溶接を使用することによって前記基板(12)に接続されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。 6. Method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the terminal (22) is connected to the substrate (12) by using ultrasonic welding. 前記第1の材料は銅合金を含み、前記第2の材料は銅を含むか、または前記第1の材料は銅を含み、前記第2の材料は銅合金を含むことを特徴とする、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。 The first material includes a copper alloy and the second material includes copper, or the first material includes copper and the second material includes a copper alloy. The method according to any one of Items 1 to 6. 前記第1の材料はアルミニウムを含み、前記第2の材料は銅を含むか、または前記第1の材料は銅を含み、前記第2の材料はアルミニウムを含むことを特徴とする、請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。 1 . The first material comprises aluminum and the second material comprises copper, or the first material comprises copper and the second material comprises aluminum. 7. The method according to any one of 7. 前記端子(22)は、プレスばめ補助端子(26)であることを特徴とする、請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。 9. Method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the terminal (22) is a press-fit auxiliary terminal (26). 前記接続層(32)は、前記表面サブ層に加えてベースサブ層を含むように形成され、前記ベースサブ層は、前記表面サブ層が前記接続相手領域の材料を含み、前記ベースサブ層が前記接続ベース領域の材料を含むように、前記接続ベース領域に直接隣接して配置されることを特徴とする、請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。 Said connection layer (32) is formed in such a way that in addition to said surface sublayer it comprises a base sublayer, said surface sublayer comprising the material of said connection partner region and said base sublayer comprising: 10. A method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it is placed directly adjacent to the connection base region so as to include the material of the connection base region. 前記接続層(32)は、その組成を前記第1の材料から前記第2の材料に連続的に変化させることを特徴とする、請求項10に記載の方法。 11. Method according to claim 10, characterized in that the connecting layer (32) changes its composition continuously from the first material to the second material. 前記接続層(32)は、メタライゼーション(16)上および前記メタライゼーション(16)に隣接する前記基板(12)の本体(14)上に連続的に設けられることを特徴とする、請求項1から11のいずれか1項に記載の方法。 Claim 1, characterized in that the connecting layer (32) is provided continuously on the metallization (16) and on the body (14) of the substrate (12) adjacent to the metallization (16). 12. The method according to any one of items 11 to 11. パワー半導体モジュール(10)であって、パワー半導体デバイスに接触し、端子(22)に接触するための基板メタライゼーション(16)を備え、前記基板メタライゼーション(16)上に配置されるための端子(22)を備え、前記端子(22)は、第1の材料から形成される第1の接続領域(28)を有し、前記基板メタライゼーション(16)を有する基板(12)は、第2の材料から形成される第2の接続領域(30)を有し、前記第1の材料は、第1の硬度を有し、前記第2の材料は、第2の硬度を有し、前記第1の硬度は、前記第2の硬度とは異なり、前記端子(22)は、その第1の接続領域(28)によって、前記基板(12)に、その第2の接続領域(30)によって接続され、硬度のより高いそのような第1の接続領域(28)または第2の接続領域(30)は接続相手領域を形成し、硬度のより低いそのような第1の接続領域(28)または第2の接続領域(30)は接続ベース領域を形成し、前記第1の接続領域(28)と前記第2の接続領域(30)との間には、接続層(32)が設けられ、前記接続層(32)は、前記接続相手領域の硬度に対応する硬度を有する材料から形成される表面サブ層を有し、前記表面サブ層は、前記接続相手領域に対向することを特徴とする、パワー半導体モジュール(10)。 A power semiconductor module (10) comprising a substrate metallization (16) for contacting a power semiconductor device and for contacting a terminal (22), the terminal for being disposed on said substrate metallization (16). (22), said terminal (22) having a first connection region (28) formed from a first material, and said substrate (12) having said substrate metallization (16) having a second connection region (28) formed from a first material. a second connection region (30) formed from a material, said first material having a first hardness, said second material having a second hardness, said first 1 hardness differs from said second hardness, said terminal (22) being connected by its first connection area (28) to said substrate (12) by its second connection area (30). and such a first connection area (28) or a second connection area (30) of higher hardness forms a connection partner area, and such a first connection area (28) or of a lower hardness forms a connection partner area. a second connection area (30) forms a connection base area, and between said first connection area (28) and said second connection area (30) a connection layer (32) is provided; The connection layer (32) is characterized in that it has a surface sublayer formed from a material having a hardness corresponding to the hardness of the connection partner area, and the surface sublayer faces the connection partner area. , power semiconductor module (10). 前記端子(22)は、プレスばめ補助端子(22)であることを特徴とする、請求項13に記載のパワー半導体モジュール(10)。 Power semiconductor module (10) according to claim 13, characterized in that the terminal (22) is a press-fit auxiliary terminal (22).
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