将端子附接到半导体功率模块的金属基部结构的方法以及半导体功率模块与流程

本公开涉及一种将端子附接到半导体功率模块的绝缘金属基部结构的方法。本公开还涉及一种半导体功率模块。

背景技术：

1、用于低功率和中功率半导体封装技术的传统绝缘金属基部同时具有低绝缘要求和低热阻要求。端子附接到绝缘金属基部，并且需要可靠而经济高效地将端子连接到绝缘金属基部上。

技术实现思路

1、本公开的实施例涉及一种用于将端子附接到金属基部结构的方法，该方法有助于节省半导体功率模块的成本，并且即使在对可靠性要求较高的高压功率模块应用中也能实现可靠的功能。本公开其他的实施例涉及相应的半导体功率模块。

2、根据一个实施例，用于将端子附接到用于半导体功率模块的绝缘金属基部结构的方法包括提供至少一个端子，并提供绝缘金属基部结构，该绝缘金属基部结构具有金属顶层、金属底层和布置在金属顶层与金属底层之间的绝缘树脂层。该方法还包括提供烧结层并将其耦接到金属顶层的顶面和/或至少一个端子的底面以形成用于至少一个端子的烧结区域。该方法还包括通过烧结工具使用烧结的方式将至少一个端子耦接到金属顶层，使得烧结层布置在金属顶层和至少一个端子之间并将至少一个端子连接到金属顶层。

3、由于所述方法，可以在绝缘金属基部上实现烧结接合连接，这可以有助于半导体功率模块稳定并且可靠地运行，即使对于高压功率模块应用也是如此。例如，该方法还有助于通过烧结将端子牢固附接在绝缘金属基部上，同时降低对绝缘树脂层的损坏风险。绝缘金属基部结构实现了用于具有低绝缘和低热阻要求的功率半导体模块的经济高效的技术，并使得大尺寸功率模块能够用于低压、中压和高压范围的应用。所述方法还可以有助于在金属基部结构上实现烧结接合连接，使得具有这种金属基部的半导体功率模块能够稳定并且可靠地运行。

4、在本公开的背景下发现的是，替代接合技术(例如焊接技术)能够提供可靠的接合连接，但考虑到在具有绝缘树脂片的基部上进行稳定过程而不损坏基部结构，替代接合技术被视为是至关重要的。特别地，超声波焊接伴随着对基部结构的热应力和机械应力的强烈影响，这是由于端子脚和基部之间的摩擦和压力较大。树脂片在此明显比陶瓷软，但由于掺入了无机填料也易碎，受到变形和产生裂纹的严重危害。在超声波焊接过程中，可能会发生下层软层的相应变形，例如对于在薄钎焊铜板上超声波键合的粗铜线而言。铜线下方的软钎焊层在把端子脚焊接到其上时会经历与绝缘金属基部的软树脂片类似的强烈变形。

5、在绝缘金属基部上进行的超声波焊接实验证实了这些预期，即在焊接过程中绝缘树脂片中产生的严重损坏，因此在绝缘金属基部基部上进行超声波焊接似乎是非常困难甚至不可能的。至少，存在一个不可忽视的风险，即由于焊接技术，在已焊接的端子脚下方，绝缘树脂片的界面包含缺陷。附加地，可以认为激光焊接或其他焊接技术对于基部的损坏以及特别是树脂片的损坏也是严重的，这是由于强烈的热冲击和引入的机械应力。树脂片受到变形和产生裂纹的严重危害。此外，存在金属化部从树脂片层脱层的风险。当在绝缘金属基部的电路金属化部上应用超声波焊接或激光焊接或其他端子脚焊接技术时，可能会发生相应的失效模式。

6、通过使用所述方法制造具有一个或多个烧结端子的金属基部结构，可以抵消由于端子与金属顶层烧结而产生的上述不利影响。烧结工艺能够减少作用于金属基部结构的下层上的机械应力和热应力。可以降低树脂层中形成裂缝或损坏以及金属顶层脱层的风险，并且可以实现稳定的半导体功率模块，即使在例如电压范围为0.5kv至高达10.0kv的高压功率模块应用中也能够可靠地运行。

7、根据该方法的一种实施例，提供和耦接烧结层的步骤包括提供具有预先确定的烧结颗粒的物质，并且将该物质施加到(例如通过印刷的方式)金属顶层的顶表面上，从而形成具有预成型烧结层的烧结区域。所述物质指代烧结原材料，例如是薄膜或糊剂的形式，其可印刷在金属顶层上预先确定的位置上。烧结材料以及因此烧结层可以以预先确定的方式设置为可泵送的液体或粘性糊剂，包括银、铜、金和镍或其他适用金属中的至少一种作为主要材料。替代地或附加地，烧结原材料可以设置为附接在基部和/或端子上的固体片或预成型件。替代地或附加地，烧结材料可以是通过烧结可应用的另一种材料。烧结原材料可以预先施加在绝缘金属基部结构上的给定位置，以必定具有准备好的结构。

8、烧结材料可以包括主要部件的微米颗粒和/或纳米颗粒，其能够在一个或多个端子与金属顶层之间形成牢固键合连接或材料键合连接。烧结层或形成烧结层的烧结材料可以包括具有聚合物和/或原材料中的溶剂、粘合剂或试剂的材料组合物，其在烧结过程中被去除。考虑到一个或多个端子与绝缘金属基部结构之间的烧结连接，烧结层实现了一种通常为纯金属的更多孔或更少孔的糊状物(其具有更多孔或更少孔的形状)，这与端子和金属顶层的材料(可以通过块状铜或铝实现)不同。

9、烧结是通过热和/或压力压实并形成材料的固体块的工艺，而不会将接头配合件熔化至液化点。烧结工具可用于对端子施加压力和/或施加热以将端子和金属顶层以及它们之间的烧结层烘烤在一起。因此，烧结可以描述为将颗粒烘烤在一起，而接合是通过颗粒之间的扩散过程完成的。

10、根据该方法的另一实施例，烧结是在施加于至少一个端子的最多20mpa的高压下进行的。例如，高压设置在5mpa至25mpa的范围内。例如，端子和金属顶层的烧结可以在高达10mpa或15mpa的高压下进行。通常，作用在接头配合件上的相对高压使得烧结接头的质量是可靠的，这也取决于烧结材料的孔隙率。在这种情况下，烧结层具有低孔隙率和/或高致密性。因此，用于烧结的压力是与接头配合件与所选烧结材料协调给出的。

11、根据该方法的另一实施例，烧结是在施加于至少一个端子的最多2mpa的低压下进行的。例如，端子和金属顶层的烧结可在0.2mpa、0.5mpa、1mpa或1.5mpa的低压下进行。烧结压力的选择还取决于接头配合件对压力的敏感度。在这种情况下，尤其基部的树脂片是较为敏感的。例如，一个或多个端子是电子器件(例如芯片)的一部分，并且不应使用高压，以降低损坏芯片和/或树脂层的风险。如果使用低压进行烧结，则可使用橡胶或定位工具(其也可以是烧结工具的一部分)将端子固定或保持就位。此外，端子和金属顶层的烧结可以无压力地进行，使得烧结期间不使用额外压力或使用非常低的压力。

12、根据该方法的另一实施例，提供至少一个端子的步骤包括提供具有给定的应力释放结构的至少一个端子。应力释放结构可以包括实施到一个或多个端子上的弹簧结构、变薄部分和凹槽中的至少一个，以有益地影响烧结过程。

13、根据该方法的另一实施例，提供至少一个端子的步骤包括提供耦接到壳体块和/或引线框的一组或多个端子。端子可以耦接或直接连接到引线框或壳体块。该方法还可以包括将具有端子的壳体块和/或引线框耦接到金属基部结构，使得用于烧结的预先确定的压力正作用在通过耦接施加的多个端子上。因此，可以通过已耦接的壳体块本身施加烧结压力。尽管如此，压力仍可显露于相应端子的端子脚上，以有助于可靠的烧结过程。

14、一个或多个端子可以由铜、铜合金、铝和铝合金或任何其他适用的金属或其他导电材料中的至少一种制成，或包括铜、铜合金、铝和铝合金或任何其他适用的金属或其他导电材料中的至少一种。金属顶层也可以由铜、铜合金、铝和铝合金或任何其他适用的金属或其他导电材料中的至少一种制成，或包括铜、铜合金、铝和铝合金或任何其他适用的金属或其他导电材料中的至少一种。

15、根据该方法的另一实施例，金属顶层在顶面上设置有涂层，该涂层配置为在烧结期间面向烧结材料或至少一个端子的底面。替代地或附加地，至少一个端子在底面上设置有涂层，该涂层配置为在烧结期间面向烧结层或金属基部结构的金属顶层。这种涂层可用于促进端子、烧结材料膜和/或通过金属顶层实现的基部金属化部之间的接合连接。

16、端子和金属顶层的上述涂层中的一个或多个可以由贵金属(例如镍和/或银和/或金)和/或一种或多种其他金属制成，或者包括贵金属(例如镍和/或银和/或金)和/或一种或多种其他金属。这种涂层可以有助于防止氧化和/或改善烧结工艺的条件和/或还可以保护金属基部结构的树脂层。相应的涂层可以部分或完全覆盖端子的底面的预定面或金属顶层的顶面的预定面。此外，相应的涂层可以包括一个或多个层。

17、绝缘树脂层形成介电层，并且可以实现为预浸料片，该预浸料片装配在顶部和底部的两个金属板之间，所述两个金属板形成金属顶层和金属底层。例如，通过层压工艺将这种金属化片或板键合到介电树脂层上。然后可以通过后续的掩膜和蚀刻工艺步骤完成金属顶层所需的金属化结构，以局部去除导电金属，从而形成最终的金属化结构。替代地，可以通过切割或冲压形成顶部金属化结构，例如在成品金属基部结构成型之前。

18、替代地，树脂层可以通过模制形成。对于这种模制介电层，模制物质实现了具有预定材料特性的可泵送模制物质。模制物质是要形成的树脂层的液体或粘性原材料。例如，模制物质是环氧树脂和/或陶瓷基液体。替代地或附加地，介电层的原材料可以是热固性或热塑性树脂材料，例如聚酰胺、pbt、pet。替代地或附加地，介电层的原材料可以包括无机填料(例如基于陶瓷材料)，用于相对于金属顶层和/或金属底层的改善的热导率和/或cte调节。例如，模制介电层包括具有陶瓷填充材料的树脂基介电材料，例如al2o3、aln、bn、si3n4或sio2。例如，介电层是具有填料的环氧树脂。介电层也可以是基于其他适用于转移、注射或压缩成型或其他适用成型技术的材料，例如双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酰亚胺和/或硅酮。替代地或附加地，介电层可包括陶瓷材料和/或湿定型材料或上述两种或多种成分的材料组合。

19、金属顶层和金属底层以二者之间具有预定的距离相对于彼此对齐，将基本预先确定模制介电层的后续厚度。例如，厚度沿金属基部结构的堆叠方向限定，该方向可呈现为z方向。然而，也可以在正交的x方向和y方向上进行对齐以合适定位，例如金属图案相对于x方向和y方向的合适定位。例如，可以通过将金属顶层放置在离型膜或衬里或其他固定装置上(例如在模制工具的模具槽中)来实现对齐。这使得能够精确地定位相对于金属底层的金属顶层所提供的金属化结构，并且在如果金属顶层例如由于不同的操作电位而包括单独的金属衬垫时可以是有帮助的。在层压的情况下，树脂层的厚度由层压层的厚度和行为决定。

20、绝缘树脂层的厚度可以是50μm至多达300μm的值。金属顶层的厚度可以是0.15mm至多达0.5mm或0.15mm至2.00mm的值。端子可以包括l形，其中长的端子主体主要沿堆叠方向延伸，端子脚主要沿与堆叠方向基本垂直的横向方向延伸。端子脚可以形成相对于堆叠方向厚度为0.5mm至多达1.5mm的板。端子脚的厚度和/或由烧结工艺形成的烧结区域可以是例如与端子的其他部分相比较小的。例如，端子脚的横向尺寸或面积可以大于或小于烧结层的相应延伸。一个或多个端子可以实现半导体功率模块用于功率连接的主端子或用于电信号连接或信号布线的辅助端子。

21、至少一个端子还可以包括为改善烧结而准备的结构。例如，这种烧结结构可以通过端子的端子脚中的粗糙区域或变薄区域、一个或多个槽、凹槽和/或凹口来实现。这种烧结结构可以在相应端子的顶侧和/或底侧上制备和/或在金属顶层的顶面上制备。特定的端子结构可以有益地影响烧结过程，并且可以有助于形成材料键合或牢固键合的烧结接头。

22、通过使用所述制造或附接方法将端子接合到绝缘金属基部，可以抵消不利影响。例如，可以降低裂缝、变形或形成其他损坏的风险，尤其是在金属基部结构的绝缘树脂层中，并且可以低成本地实现稳定的半导体功率模块，从而使半导体功率模块能够可靠运行，并具有增强的耐用性或使用寿命。

23、最后，要指出的是所提出的所有特征和方法都可以单独使用，也可以以两个或多个组合使用。

24、根据一个实施例，半导体功率模块包括具有金属顶层、金属底层和绝缘树脂层的基部，该绝缘树脂层与金属顶层和金属底层均耦接并且布置在这些层之间。半导体功率模块还包括至少一个端子和烧结层。烧结层相对于半导体功率模块的堆叠方向布置在金属顶层与至少一个端子之间。烧结层通过烧结的方式将至少一个端子的底面连接到金属顶层的顶面。

25、由于所述半导体功率模块可通过上述方法的实施例制造，因此该方法的特征和特性也针对半导体功率模块公开，反之亦然。因此，本公开包括多个方面，其中，针对其中一个方面描述的所有特征也针对其他方面公开，即使在特定方面的上下文中未明确提及相应特征。

26、根据半导体功率模块的实施例，至少一个终端包括给定的应力释放结构，该应力释放结构例如具有至少一个弹簧结构、变薄部分和凹槽。因此，各个端子可具有弹簧段或弹性部分，以实现缓冲结构或应力释放结构，其有助于保护树脂层免受机械和/或热冲击。

27、根据另一实施例，半导体功率模块包括多个端子，这些端子一方面与壳体块和/或引线框耦接，另一方面通过烧结的方式分别连接到金属顶层的顶面。壳体块可以形成为树脂体，并且多个端子可以部分地嵌入该树脂体。

28、半导体功率模块还可以包括热沉，该热沉与金属基部结构的金属底层耦接以在半导体功率模块工作期间散热。金属底层形成金属基部结构的底部，并且金属底层可以由铜、铝和/或其相应的合金制成或者包括铜、铝和/或其相应的合金。因此，半导体功率模块可包括单独的热沉。附加热沉也可由铜、铝和/或其相应的合金制成，或由复合材料(如铝-碳化硅或镁-碳化硅)制成。替代地或附加地，金属基部结构的金属底层本身可用作热沉，例如在相对于堆叠方向的底侧可以配置为包括肋、翅片或突起，以提供有益的散热。金属底层还可用作半导体功率模块的基板。

29、包括金属基部结构的半导体功率模块还可以被介电凝胶或通过模塑或灌封制备的树脂部分地或完全地封装。此外，半导体功率模块可以包括上述缓冲结构的两个或多个实施例。半导体功率模块还可以包括电子器件，例如芯片、集成电路、传感器和/或其他分立器件。

30、与焊接技术相比，所提出的将端子脚烧结到绝缘金属基部结构的表面上的工艺具有巨大潜力，例如可以减少接合工艺对树脂绝缘片的机械冲击和热冲击。烧结工艺不会损坏对热和压力敏感的树脂层，使得使用这种相当具有性价比的基部技术变得有趣。这种用于绝缘金属基部结构的附接或制造方法对于具有增强的可靠性要求的大型功率模块和用于更高电压等级的功率模块来说可能很有趣。然而，所述方法允许制造可应用于各种产品的金属基部结构和半导体功率模块，例如在1.7kv或以下电压范围内操作的低压工业和汽车产品，但也可用于更高电压等级的产品。当通过绝缘金属基部替代将陶瓷基部钎焊到基板上的标准安装时，可以显著降低成本。一方面可以降低材料成本，另一方面数个其他的工艺步骤(例如在功率模块装配中基部和基板之间的接合工艺)是不需要的，因此可以从工艺流程中移除。