功率电子模块及其制造方法与流程

本公开涉及一种功率电子模块，其包括具有至少第一金属化区域的衬底、以及第一组功率电子器件。本公开进一步涉及一种用于制造此类功率电子模块的方法。

背景技术：

1、在许多不同的应用领域中使用包括多个功率电子器件的功率电子模块。特别地，在功率电子领域，多个功率半导体芯片可并联连接以形成具有相对高的额定电流的功率电子模块。

2、随着对功率密度的需求日益增加，期望提高此类功率电子模块的额定电流。可以例如通过开发和引入新的芯片技术来实现增加功率密度，从而提供在操作期间各个半导体功率器件的传导和开关损耗的降低。然而，新芯片技术的开发及其大规模制造非常耗时且成本高昂，且因此更多的是从长远角度考虑来提供。因此，提高功率电子模块的额定电流的其他手段是期望的。

技术实现思路

1、本公开的实施例涉及功率电子模块及其制造方法，这些功率电子模块和方法实现了具有给定尺寸的功率电子模块的增加的额定电流或具有给定额定电流的功率电子模块的较小尺寸。本公开示出了一种工作量低的替代性方法，以提高或优化电流能力。

2、根据一个方面，一种功率电子模块包括：衬底，其具有至少第一金属化区域；第一组功率电子器件，其布置在第一金属化区域中；以及公共不间断联结层，其布置在第一金属化区域与第一组功率电子器件之间。第一组包括多个功率电子器件，并且公共不间断联结层在第一金属化区域与第一组功率电子器件之间建立机械和电气接触。

3、除了别的之外，发明者还发现，通过省略或减小功率电子器件之间的距离并使用公共不间断联结层将多个功率电子器件联结到单个金属化区域，可以增加布置在给定尺寸的功率电子模块上的功率电子器件的总有效面积，由此也增加功率电子器件的额定电流。虽然衬底上可用于定位功率电子器件(诸如，半导体芯片)的空间有限，但通过使用公共不间断联结层联结多个功率电子器件，空间可以得到更好的利用。这与如下形成对比：使用单独的联结层来独立地联结每个功率电子器件，其中由于各个功率电子器件之间的空间而导致空间丧失。

4、根据至少一个实施方式，第一组中的每一个功率电子器件布置成与第一组的至少一个其他功率电子器件直接相邻。换句话说，第一组的功率电子器件布置成其间基本没有任何间隙或至少间隙大大减小，因此最大化对可用安装空间的使用。通过移除功率电子器件之间的未用空间，可以增加功率电子器件的尺寸，且因此增加有效面积。特别地，当功率电子器件(诸如，半导体芯片)可以彼此非常紧密地布置而其间没有显著的空白空间时，可以获得对衬底的可用表面积的最佳使用。

5、根据至少一个实施方式，功率电子器件可以是自对齐的，和/或第一组的相邻功率电子器件之间的距离小于1mm、且特别地小于0.5mm。当将功率电子器件对齐并使用单独的联结层安装时，使用常规的安装技术无法获得此类距离。

6、可例如通过利用公共不间断联结层和/或其中所包括的联结材料的物理性质(诸如，其表面张力和/或液态下的黏度)来实现自对齐。

7、根据至少一个实施方式，第一金属化区域包括覆盖第一金属化区域和/或衬底的一部分的子区域，并且公共不间断联结层基本覆盖该整个子区域。

8、被公共不间断联结层覆盖的区域可不包括对齐该功率电子器件组所需的任何空间。子区域可表示第一金属化区域或衬底的实质部分，诸如可用于放置功率电子器件的整个区域。例如，它可表示第一金属化区域或衬底的主表面积的25％、50％或75％以上。子区域可以是矩形区域或具有由待放置在功率模块上的功率电子器件限定的任何其他几何形状的区域。例如，子区域可以是第一金属化区域的最大矩形部分。子区域可不包括第一金属化区域的一个或多个较小部分，所述一个或多个较小部分被配置成用于互连功率电子器件和/或用于功率电子模块的另外的部件。

9、根据不同的实施方式，第一组的功率电子器件可使用不同的联结技术联结到第一金属化区域，这些联结技术包括焊接、扩散焊接、扩散键合、烧结或胶合。

10、根据至少一个实施方式，功率电子器件通过至少部分地形成在每个功率电子器件的周边处的弯月面而自对齐。在这种情况下，相邻功率电子器件的相邻弯月面的全部或部分可合并，从而在功率电子器件之间的内部间隙中在公共不间断联结层中留下凹部，并且在第一组功率电子器件的外周边上提供清晰的弯月面。因此，可使用液体或可液化联结材料的表面张力来确定邻近功率电子器件之间的极窄间隙，而不是依赖外部对齐辅助件(诸如，隔间化的焊料预制件)。

11、如果将功率电子器件焊接到衬底，则焊料层可充当公共不间断联结层。此外，由于焊接工艺的物理性质，第一组的邻近功率电子器件之间的距离可由焊料弯月面限定。这有效地实现了功率电子器件的自对齐。

12、利用液体胶或膏状胶也可达到相应效果，这种胶在功率电子器件的周边处形成呈胶圆角形式的弯月面。

13、如果将功率电子器件烧结到衬底，则公共不间断联结层可被实施为具有基本均匀的厚度的烧结层。

14、如果将功率电子器件胶合到衬底，则公共不间断联结层可包括粘合层、特别是双面粘合带或连续的一层划线胶或印刷胶。

15、根据至少一个实施方式，第一组的功率电子器件包括半导体芯片，诸如mosfet、misfet、jfet、igbt或二极管。

16、根据至少一个实施例，半导体芯片中的每一个可包括至少两个端子，并且半导体芯片中的每一个的端子可并联电连接。将多个半导体芯片并联地组合实现了高的额定电流。

17、根据不同的实施方式，第一组的功率电子器件可以是同一类型的，或者可以是两种或更多种不同类型的。例如，一个或多个保护或续流二极管和一个或多个晶体管或开关器件的组合可布置在第一金属化区域上，以形成混合功率电子模块。

18、根据另一个方面，一种用于制造功率电子模块的方法包括：

19、-将一层联结材料、特别是单个预制件布置在衬底的第一金属化区域与第一组功率电子器件的相应的接触表面之间，其中，该第一组包括多个功率电子器件；以及

20、-由联结材料形成公共不间断联结层，其中，该公共不间断联结层在第一金属化区域与第一组功率电子器件之间建立至少机械和电气接触。

21、以上方法步骤使得能够产生具有高电流密度的功率电子模块，如上文所详述的。

22、取决于所使用的联结技术，例如焊接、扩散焊接、扩散键合、烧结或胶合，可执行不同的加工步骤以加工第一组的多个功率电子器件并将它们联结一起，由此降低制造成本并改进良率。

23、本公开包括功率电子模块及其制造方法的几个方面。关于这些方面中的一个描述的每个特征也在本文中关于其他方面进行了公开，即使相应特征没有在特定方面的上下文中明确提及。

技术特征：

1.一种功率电子模块(10)，包括：

2.根据权利要求1所述的功率电子模块(10)，其中，所述第一组中的相邻功率电子器件(14)之间的所述距离小于0.5mm。

3.根据权利要求1或2所述的功率电子模块(10)，其中，所述第一金属化区域(12)包括覆盖所述第一金属化区域(12)和/或所述衬底(11)的主表面的50％以上、优选地75％以上的矩形子区域(16)，并且所述公共不间断联结层(13)覆盖整个所述矩形子区域(16)。

4.根据权利要求3所述的功率电子模块(10)，其中，所述矩形子区域(16)的外周与所述第一组中的最靠近的功率电子器件(14)的外边缘之间的距离大于所述第一组中的相邻功率电子器件(14)之间的距离。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率电子模块(10)，其中，所述功率电子器件(14)通过形成在每个功率电子器件(14)的周边处的弯月面而自对齐，使得相邻功率电子器件(14)的相邻弯月面合并，从而在所述功率电子器件(14)之间的内部间隙中且在所述公共不间断联结层(13)中留下凹部(36)，并且在所述第一组功率电子器件(14)的外周边上提供清晰的弯月面(27)。

6.根据权利要求5所述的功率电子模块(10)，其中，所述公共不间断联结层(13)包括焊料层(26)，并且所述第一组中的邻近功率电子器件(14)之间的距离由焊料弯月面(27)限定。

7.根据权利要求5所述的功率电子模块(10)，其中，所述公共不间断联结层(13)包括胶层，并且所述第一组中的邻近功率电子器件(14)之间的距离由溢料圆角限定。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的功率电子模块(10)，其中，所述第一组中的相邻功率电子器件(14)之间的所述距离小于1mm、特别地小于0.5mm，并且所述公共不间断联结层(13)包括以下各者中的一者：具有均匀厚度的烧结层(34)；以及粘合层，特别是双面粘合带或导电的划线胶层、印刷胶层或涂布胶层。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的功率电子模块(10)，其中，所述第一组中的所述功率电子器件(14)是半导体芯片，包括mosfet、misfet、jfet、ibgt或二极管中的至少一者。

10.根据权利要求9所述的功率电子模块(10)，其中，所述半导体芯片中的每一个半导体芯片包括至少两个端子，并且所述芯片中的每一个芯片的所述端子并联电连接。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的功率电子模块(10)，其中，所述第一组功率电子器件(14)包括布置在所述第一金属化区域(12)中的至少两种不同类型的功率电子器件。

12.一种用于制造功率电子模块(10)的方法，所述方法包括：

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述方法具体地包括：

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在形成所述公共不间断焊料层(13)或胶层的步骤期间，在功率电子器件(14)的周边处形成弯月面(27)、特别是所述焊料材料的焊料弯月面(27)或所述液体胶的溢料圆角，使得各个功率电子器件(14)由于所述液体焊料材料或液体胶的表面张力而自对齐。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述联结材料层包括焊料预制件(23)，并且所述方法具体地包括：

16.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述联结材料层包括焊膏层，并且所述方法具体地包括：

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述联结材料层包括至少一个烧结预制件(30)或烧结材料层，并且所述方法具体地包括：

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述联结材料层包括粘合材料、特别是导电粘合材料，并且所述方法具体地包括：

技术总结本公开涉及一种功率电子模块(10)，该功率电子模块包括：衬底(11)，具有至少第一金属化区域(12)；第一组功率电子器件(14)，布置在第一金属化区域(12)中，其中，该第一组包括多个功率电子器件(14)。功率电子模块(10)进一步包括公共不间断联结层(13)，该公共不间断联结层布置在第一金属化区域(12)与第一组功率电子器件(14)之间，其中，该公共不间断联结层(13)在第一金属化区域(12)与第一组功率电子器件(14)之间至少建立机械和电气接触。本公开进一步涉及一种用于制造此类功率电子模块(10)的方法。技术研发人员：R·埃巴尔,M·路德维格受保护的技术使用者：日立能源有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/4