功率模块的制作方法

本公开涉及一种包括至少一个图案化烧结连接部的功率模块和一种用于制造功率模块的方法。

背景技术：

1、烧结是一种非常适合建立机械上强的且高度可靠的接合连接部的方法。对于热循环中通常出现的热机械应力而言，烧结连接部(示例性地，银烧结连接部)的可靠性可以显著超过焊接连接部的可靠性。例如由银或铜微颗粒或纳米颗粒制备的烧结接合连接部不仅可以用于晶粒结合，而且还用于例如可以固定在芯片的顶侧接触表面上的夹具或其他平面接触件或者用于将衬底与底板结合。

2、文献us 2019/043791描述了一种用于形成烧结金属结合剂的烧结金属膏。例如，烧结银膏被用作烧结金属膏。烧结金属膏被施加到第一焊盘部分的预定部分，其中，事先在第一焊盘部分上设定施加区域和非施加区域。施加区域是待被施加烧结金属膏的区域。非施加区域是待不被施加烧结金属膏的区域。施加区域和非施加区域62可具有不同的连续或非连续形状。

3、文献jp 2014 029964 a提供了一种结合方法，其中，使用含有氧化银的接合材料将铝构件接合到另一个构件。特别地，该方法包括：如下的接地层形成步骤：在铝构件的接合面的表面上形成接地层和接地层的非涂布区段、以及形成接地层的非涂布区段以便延伸到接合面的外围区段。执行接合材料放置步骤以便将接合材料放置在铝构件与另一个构件之间。此外，执行对接合材料进行烧结的烧结步骤以便形成非接合区段和接合层，其结果是，铝构件和另一个构件经由非接合区段和接合层而接合在一起。

4、文献us 2012/211764 a1描述了一种纳米ag膏，其在引线框的区域中被施加到焊料片的圆周，其中，半导体元件以面朝上的方式安装在焊料片和纳米ag膏上。纳米ag膏和焊料片经加热以模制焊料片。在该过程中，纳米ag膏中含有的ag颗粒在焊料片熔化之前被烧结，以由此形成膜状多孔金属材料。当焊料片熔化时，已熔化焊料延伸地流入多孔金属材料的孔隙中，并且剩余的已熔化焊料留在中心部分处。当利用后续的冷却过程使焊料凝固时，形成复合材料并在复合材料内部形成焊料层。

技术实现思路

1、本公开的实施例涉及一种具有减小的内部热机械应力的功率模块。本公开的进一步实施例涉及一种用于制造具有低的内部热机械应力的功率模块的简化但高效的方法。

2、本公开的实施例全部或部分地解决了本领域的以上缺陷。

3、根据一种功率模块的实施例，该功率模块包括至少两个模块部件和至少一个连接层，其中，所述至少一个连接层沿着竖直方向形成在所述至少两个模块部件之间以便机械地连接所述至少两个模块部件。所述至少一个连接层是在所述至少两个模块部件之间形成烧结连接部的烧结连接层。所述至少一个连接层被图案化，并且在俯视图中，烧结连接部的区域仅部分地被烧结材料覆盖，其中，该区域的未被烧结材料覆盖的子区域由该区域的一个或几个外边缘界定。此外，未被覆盖的子区域与相应的烧结连接的区域的表面比在10％与75％之间，包括端值。例如，功率模块是功率半导体模块。此外，所述至少一个连接层还可以用于电连接所述至少两个模块部件。

4、在功率模块(其模块部件通过非图案化或非结构化烧结层机械地接合在一起)的情况下，在功率模块的制造期间或操作期间，由于例如由温度变化的效应引起的内部热机械应力，可能出现不想要的变形。此类不想要的变形可能导致在功率模块内(例如，在接合连接部中)形成内部裂纹、导致对接合连接部、模块部件的分层或导致对功率模块的其他损坏。相比之下，使用图案化烧结连接层，可以实现功率模块就热机械应力而言非常高的可靠性，因为图案化烧结连接层不覆盖烧结连接的整个区域，因此刚性较小且在这个意义上更具柔性并且可充当用于分布或减小功率模块内的内部热机械应力的补偿层，例如在接合连接部中以及在与接合伙伴的对应界面中。

5、已发现，使用未被覆盖的子区域与相应的烧结连接的区域的在10％与75％之间，包括端值的表面比，可以实现连接层中和功率模块中的内部热机械应力的显著减小。例如，该比率在15％与75％之间、在15％与65％之间、在15％与55％之间、在15％与45％之间、在15％与35％之间、或在25％与75％之间、在35％与75％之间、在45％与75％之间、或在55％与75％之间。如果该比率显著小于15％，例如小于10％、7％、5％或小于3％，则内部热机械应力的减小的效应非常低或几乎不存在。如果该比率大于75％，则可能无法始终确保所述至少两个模块部件之间的机械稳定的连接。

6、此外，未被覆盖的子区域的表面与被烧结材料覆盖的连接区域的表面的面积比率可以在0.25与4之间、在0.5与2之间、在0.75与1.5之间、在1与1.5之间、或在0.75与1.25之间，包括端值。

7、此外，由于烧结连接的区域的未被烧结材料覆盖的子区域由烧结连接的区域的一个或几个外边缘界定，因此这些子区域可用于改善例如在烧结过程期间对气体或有机物的去除，从而导致改善烧结连接部的质量。

8、在本公开中，烧结连接的区域或连接区域可以被认为是所述至少两个模块部件之间的重叠表面或竖直中间空间，其中，这些中间空间在一些地方由烧结材料填充且在其他地方并未由烧结材料填充。烧结连接的区域也可以由所述至少两个模块部件中的一个的后侧或前侧来限定。竖直方向被理解为意指垂直于所述至少两个模块部件中的一个或两个的主延伸表面来引导的方向。横直方向被理解为意指平行于所述至少两个模块部件中的一个或两个的主延伸表面的方向。竖直方向和横向方向彼此正交。

9、根据进一步实施例，所述至少两个模块部件是来自包括以下各者的组的元件：底板、衬底、电子部件和电连接件。此处，功率模块可以包括多于两个的模块部件。还可能的是，功率模块包括竖直地布置在彼此上方的至少两个衬底。此外，还可能的是，功率模块包括至少两个衬底，所述至少两个衬底横向地布置成彼此紧邻并通过作为电连接件的第三模块部件彼此机械和/或电连接，该第三模块部件例如呈夹具的形式。

10、底板可以例如用于接收和承载衬底。底板可以由金属或金属合金制成，例如可以包括cu或al或对应的合金或者由其制成。替代地，还可能的是，底板由复合材料制成，例如由含有sic的复合材料制成。此类材料可以填充有金属材料，比如al或mg，从而产生alsic或mgsic。然而，底板并不限于上文提到的材料。

11、衬底可以用于接收一个电子部件或几个电子部件。例如，衬底包括前侧金属化部和后侧金属化部，其中，前侧金属化部通过绝缘层与后侧金属化部竖直地分离。绝缘层可以由陶瓷材料(比如，aln、si3n4、al2o3)或具有无机填料的树脂材料制成。前侧金属化部可以包括一个第一金属化层和一个第二金属化层，该第二金属化层例如通过分离沟槽与第一金属化层电和空间分离。第一金属化层和第二金属化层可被指派给功率模块或电子部件的不同电极性。例如，电子部件布置在前侧金属化部上并且电连接到第一金属化层和第二金属化层两者。前侧金属化部可以包括多个第一金属化层和/或多个第二金属化层。衬底可以是印刷电路板。

12、电子部件可以是电子芯片、半导体芯片、例如用于测量温度的传感器、开关器件(比如，igbt)、由硅、碳化硅、氮化镓或其他半导体材料制成的功率mosfet、二极管、离散器件(比如，电阻器、电容器、电感部件或晶体管)，但不限于此。

13、电连接件可以是夹具、端子(例如，端子脚)或平面接触结构(例如，薄片(platelet))，其中安装有另一个连接元件。例如，电连接件用于将电子部件与衬底的第二金属化部电连接。例如，电子部件布置在第一金属化层上，并且电连接件将电子部件的前侧与第二金属化层电连接。还可能的是，电连接件被配置成将两个芯片表面互连，例如两个电子部件的两个表面、或者一个/多个衬底的两个金属化图案。所述至少一个图案化烧结连接层可以被施加以用于将电连接件(例如，呈端子脚或其他平面接触件的形式)接合到芯片表面或衬底的金属化部。此外，所述至少一个图案化烧结连接层可以被施加以用于接合接触薄片，该接触薄片可以例如用于铜线结合或者用于接合芯片表面上的端子，使得不需要衬底上的附加烧结连接部。

14、根据进一步实施例，所述至少一个图案化烧结连接层沿着竖直方向位于电连接件与电子部件之间、电连接件与衬底之间、电子部件与衬底之间、或者衬底与底板之间。取决于所述至少一个图案化烧结连接层的位置，它可以直接邻接底板、衬底、电子部件和/或电连接件。

15、因此，可通过烧结连接层实现的一些接合连接部可以位于：

16、-芯片顶表面与电连接件之间，电连接件例如呈夹具、端子、其他种类的平面接触元件(例如，接触薄片)的形式；

17、-衬底金属化部与电连接件之间，电连接件例如呈夹具、端子、其他种类的平面接触元件的形式；

18、-衬底金属化部与芯片背侧表面之间(晶粒结合)；和/或

19、-底板与衬底之间(衬底结合)。

20、芯片顶侧上的一些特定类型的接合连接部可包括：将芯片表面和衬底表面互连的夹具、用于互连的包括脚的端子，其中，后者可以与直接安装在芯片表面上的外部端子或其他种类的平面接触件相关。电连接件可以是呈夹具、端子或另一种类的平面接触件形式的接触元件，例如接触薄片，该接触薄片用于使用粗铜结合线促进引线结合，其中，接触元件可以由铜、银、铝或对应的合金制成。电子部件或衬底的接触元件和/或接合表面可涂布有一个附加的金属层，例如涂布有贵金属(比如，金或银)以改善接合工艺。

21、模块部件可以包括多个连接层，例如电连接件与电子部件之间的一个连接层、电连接件与衬底之间的一个连接层、电子部件与衬底之间的一个连接层、和/或衬底与底板之间的一个连接层，其中，这些连接层中的至少一个被烧结。如果功率模块包括多于一个的衬底，则所述至少一个连接层(例如，所述至少一个烧结连接层)也可以形成在两个衬底之间。

22、这些连接层中的至少一个、两个、三个或全部可以是被图案化的烧结连接层。烧结连接层可以相同的方式被图案化，使得在俯视图中，图案化烧结连接层显示出类似的结构或设计。然而，不同位置中的不同烧结连接层可以不同的方式被图案化，使得在俯视图中，不同位置中的不同烧结连接层可显示出不同的结构或设计。还可能的是，一个、两个或三个连接层不是图案化烧结连接层和/或不是烧结连接层。代替烧结连接层的是，未被图案化的一个、两个或三个连接层，也可以是普通的连接层，诸如焊接层。

23、根据进一步实施例，所述至少一个连接层是连续的。换句话说，所述至少一个连接层的所有子区域都彼此连接。在俯视图中，所述至少一个图案化烧结连接层可以具有梳状、十字状、星状或锯齿状形状，但不限于此。局部地，所述至少一个连接层可以显示出条带状图案，其中，连接层的不同子区域可以具有彼此连接的许多条带(例如，平行条带)的形式。烧结连接的区域的未被烧结材料覆盖的子区域可以在连接层的不同子区域之间形成局部中间空间或间隙。此类中间空间或间隙可以被看作凹槽或沟槽，其可以到达烧结连接部的至少一个边缘或几个边缘。换句话说，此类中间空间或间隙可以由烧结连接的区域的一个或几个外边缘界定。

24、然而，还可能的是，所述至少一个连接层是不连续的。在这种情况下，所述至少一个连接层可以包括空间上分离的子区域。在俯视图中，空间上分离的子区域可以形成条带化或点状布局。空间上分离的子区域中的一些或全部可以具有相同尺寸或不同尺寸的条带化形状或者相同尺寸或不同尺寸的点状形状。点状形状可以是任何几何形式。例如，点状形状或点状图案可以包括圆形、方形、矩形和/或六边形形状的多个点。由于连接层包括空间上分离的子区域，中间空间或间隙是在连接层的分离的子区域之间。类似于连续的连接层的情况，中间空间或间隙可以到达烧结连接部的至少一个边缘或几个边缘，即烧结连接的区域的一个外边缘或几个外边缘。

25、在两种情况下，即在不连续的连接层的情况下和在连续的连接层的情况下，连接区域的未被覆盖的子区域可以形成通道状凹槽，这些通道状凹槽可以从连接区域的内部子区域朝向连接区域的一个或几个外边缘横向地伸展。未被覆盖的子区域中的一些可以定位成邻近连接区域的(多个)边缘。未被覆盖的子区域可以是空的空间，例如，未被覆盖的子区域中的至少一些或全部填充有气态介质(比如，周围空气)，并且可以用于在烧结过程期间去除气体或有机物。这会导致改善烧结连接部的质量。然而，在一些情况下，还可能的是，未被覆盖的子区域填充有电隔离材料，例如填充有机械柔性或软刚性隔离材料以用于补偿功率模块内(例如，连接层内)的内部热机械应力。还可能的是，未被覆盖的子区域填充有不同于烧结材料的导电材料。

26、间隙、空间或通道状凹槽的横向宽度(例如，平均横向宽度)可以大于0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.7mm或大于1mm，例如在0.1mm与3mm之间、在0.5mm与3mm之间、在1mm与3mm之间、或在0.1mm与2mm之间、在0.5mm与2mm之间、或在1mm与2mm之间，但不限于此。

27、所述至少一个图案化烧结连接层的厚度可高达100μm，例如在10μm与100μm之间、在10μm与80μm之间、在10μm与70μm之间、或在20μm与50μm之间，包括端值。如果图案化烧结连接层的布局包括条带或点，则条带的宽度或者点的直径或边长可以在0.1mm和2.0mm的范围内，例如0.1mm和1.5mm、0.1mm和1.0mm、0.1mm和0.5mm的范围、或者例如0.3mm和2.0mm、0.5mm和2.0mm、1mm和2.0mm或者1.5mm和2.0mm的范围。

28、对于衬底结合连接(例如，衬底与底板之间)，间隙、空间或通道状凹槽和/或图案或条带或点可具有大于2mm、3mm、5mm或甚至大于10mm的宽度或长度或直径。在这种情况下，连接层的厚度可大于100μm、150μm或200μm。

29、根据一种用于制造功率模块(例如，本公开中所描述的功率模块)的方法的实施例，该方法包括形成所述至少一个烧结连接层的步骤，其中，烧结材料被施加在两个模块部件中的一个或两个的一个表面或多个表面上，例如通过模板印刷、通过使用用于图案化所述至少一个连接层的掩模的蒸镀或溅镀、或者通过用于施加烧结材料的另一种方法。这也可以通过结构化最初均质的层来实现。

30、作为用于烧结材料的材料，可以使用银或铜。例如，可以使用纳米尺寸和/或微米尺寸的银或铜颗粒。在烧结过程期间，可以施加压力，例如可以施加预定压力，例如用于调节所述至少一个连接层的孔隙度或紧密度。此类过程可以被称为施加压力的烧结或无压力的烧结方法。换句话说，烧结过程可以伴随高压力、低压力或无压力来完成。压力的施加与最终烧结层的所期望的孔隙度或紧密度相关。该过程中的更高压力通常导致孔隙度更低，且因此导致烧结层的机械强度更高。

31、基于其实施例和示例，本公开包括功率模块和用于制造功率模块的方法的几个方面。关于这些方面中的一个描述的每个特征在本文中关于其他方面也被公开，即使在具体方面的上下文中没有明确地提及相应特征。例如，本公开中所描述的方法涉及此处所描述的功率模块的任何实施例的制造。因此，结合功率模块描述的特征和优点可以用于该方法，且反之亦然。

32、虽然本公开可进行各种修改和替代形式，但其细节通过示例的方式在附图中示出并且将进行详细描述。然而，应理解，其意图并非将本公开限制到特定的所描述的实施例和示例。相反，意图涵盖落入由所附权利要求定义的本公开的范围内的所有修改、等同物和替代方案。