有键合衬底上冷却附接半导体芯片的冷却结构的功率模块的制作方法
【专利摘要】提供了有键合衬底上冷却附接半导体芯片的冷却结构的功率模块。根据一个示例性实施例，提供了一种功率模块，其包括半导体芯片，包括导电板以及直接附接至该导电板并且热耦合至半导体芯片的电绝缘板的键合衬底，以及直接附接至导电板并且被配置为在与冷却流体交互时从半导体芯片去除热的冷却结构的阵列。
【专利说明】有键合衬底上冷却附接半导体芯片的冷却结构的功率模块
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及功率模块以及涉及制造功率模块的方法。
【背景技术】
[0003]例如用于汽车应用的功率模块为功率组件提供了物理封闭，电子芯片形式的功率半导体器件通常是包括一个或多个集成电路组件。功率模块的集成电路组件的示例是绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管。
[0004]仍然存在着降低制造成本并且简化功率模块的电子芯片与外部电路的连接同时有效散热的潜在空间。
【发明内容】
[0005]可能需要一种允许在操作期间有效移除热同时制造简单的功率模块。
[0006]根据一个不例性实施例，提供了一种功率模块，其包括具有第一主表面以及与第一主表面相对的第二主表面的半导体芯片，具有耦合至半导体芯片的第一主表面的第一键合表面并且具有与第一键合表面相对的第一散热表面的第一键合衬底，具有耦合至半导体芯片的第二主表面的第二键合表面并且具有与第二键合表面相对的第二散热表面的第二键合衬底，处于第一散热表面上被配置用于在与冷却流体交互时从半导体芯片散热的第一冷却结构，以及处于第二散热表面上被配置为用于在与冷却流体交互时从半导体芯片散热的第二冷却结构。
[0007]根据另一个不例性实施例，提供了一种功率模块，其包括具有第一主表面以及与第一主表面相对的第二主表面的半导体芯片，与第一主表面热耦合并且被配置为在与冷却流体交互时从半导体芯片散热的冷却回路的第一二维阵列，以及与第二主表面热耦合并且被配置为在与冷却流体交互时从半导体芯片散热的冷却回路的第二二维阵列。
[0008]根据再另一个示例性实施例，提供了一种功率模块，其包括半导体芯片，包括导电板以及直接附接至导电板并且与半导体芯片热耦合的电绝缘板的键合衬底，以及直接附接至导电板并且被配置为在与冷却流体交互时从半导体芯片散热的冷却结构阵列。
[0009]根据又一个示例性实施例，提供了一种制造功率模块的方法，其中该方法包括将第一附接衬底的第一键合表面耦合至半导体芯片的第一主表面，将第二键合衬底的第二键合表面耦合至半导体芯片的第二主表面，其中第二主表面与第一主表面相对，将第一冷却结构布置在第一键合衬底的第一散热表面上，其中第一散热表面与第一键合表面相对，将第二冷却结构布置在第二键合衬底的第二散热表面上，其中第二散热表面与第二键合表面相对，并且对第一冷却结构和第二冷却结构进行配置以便在与冷却流体交互时从半导体芯片散热。
[0010]根据再另一个示例性实施例，提供了一种制造功率模块的方法，其中该方法包括将冷却回路的第一二维阵列热耦合至半导体芯片的第一主表面，将冷却回路的第二二维阵列热耦合至半导体芯片的第二主表面，其中第二主表面与第一主表面相对，并且对冷却回路的第一二维阵列与冷却回路的第二二维阵列进行配置以便在与冷却流体交互时从半导体芯片散热。
[0011]示例性实施例可以具有以下优势，作为功率模块的冷却结构设计的结果，功率模块操作期间由半导体芯片所生成的热量的去除会是高效的。这可以通过布置制冷结构而实现，其在功率模块的两个相对外表面热耦合至半导体芯片，和/或通过直接将这样的冷却结构附接到与半导体芯片热耦合的键合衬底的外表面上而实现。因此，使得在外部沿功率模块流动以便与冷却结构进行交互而执行热交换的冷却流体能够有效地去除功率模块的操作期间由半导体芯片所生成的热量。
[0012]另外的示例性实施例的描述
[0013]在下文中，将对功率模块和方法的示例性实施例进行解释。
[0014]示例性实施例的要点可以被看做，诸如冷却回路的一个或多个阵列的一个或多个冷却结构能够被提供在功率模块的两个相对侧面上而使得冷却流体(诸如冷却气体和/或冷却液体)能够沿功率模块的外表面导通从而有效去除功率模块操作期间由半导体芯片所生成的热量。这尤其可以利用键合衬底的直接表面冷却来执行，该键合衬底上安装有电子芯片的两个相对的主表面。
[0015]在一个实施例中，第一键合衬底被配置为第一金属-电绝缘体和热导体-金属板的层叠(即，夹在两个金属板或者更一般地两个导电和导热板之间的电绝缘且导热的板)，其中其金属的第一键合表面耦合至半导体芯片的第一主表面，并且其金属的第一散热表面直接连接至第一冷却结构(即，之间没有任何中间组件，因此在金属的第一散热表面和冷却结构之间为直接的物理接触)。通过冷却结构的这种在不需要庞大基板的情况下的直接衬底键合，能够实现非常好的热传输和紧凑设计。第一金属-电绝缘体和热导体-金属板的层叠因此可以由置于两个相对的导电和导热金属层(诸如由铝或铜制成)之间的电绝缘和导热层(诸如陶瓷)所形成。针对两个外部导电板金属的使用是优选地，特别是对于直接连接至金属冷却结构的板，因为该直接耦合利用金属-金属连接工作的特别好。这些金属层或板中的另一个可以被用于直接或间接地连接电子芯片。通过采用这种措施，电子芯片可以被附接至导热层的层叠，其同时可以实现半导体芯片和所连接设备之间的数据信号传输和/或功率供应以及有效去除半导体芯片在其常规使用期间所产生的热量。
[0016]在一个实施例中，第二键合衬底被配置为第二金属-电绝缘体和热导体-金属板的层叠，其中其金属的第二键合表面耦合至半导体芯片的第二主表面，并且其金属的第二散热表面直接连接至第二冷却结构。第二键合衬底可以被构造为第一键合衬底，特别是参见之前的段落。因此，不仅可能将电子芯片的第一主表面耦合至金属-电绝缘体和热导体-金属板的层叠，而且可能耦合其它相对的主表面。因此，可以实现从电子芯片的两个主表面进行双面的直接热传输，因为热量从半导体芯片的两个主表面(即，半导体芯片上在其所有表面中具有最大表面区域的两个通常平行的表面)经由相应板面堆叠向所连接的冷却结构进行充分传输。通过这样的实施例，在保持了功率模块的紧凑构造的同时，还表现出非常有效的散热性。
[0017]这些键合衬底中的任一个可以是三层衬底，其具有作为电绝缘体和热导体板的中间陶瓷片(例如，由氧化铝或氮化铝或氮化硅所制成)。作为陶瓷材料的替代，电绝缘体和热导体板还可以由导热塑料材料(其可以包括环氧树脂、硅树脂等)制成，并且其可选地可以被填充以导热的填充物介质(诸如氧化铝、氮化硼、氮化硅、氮化铝等)。键合衬底中的任一个的金属板可以由铜、铝或者覆盖以铝质表面层的铜所制成。不同于金属板，可能使用任意其它的导电和导热材料。
[0018]在一个实施例中，第一键合衬底和第二键合衬底中的至少一个包括由以下所构成的群组中的一个:直接铜键合(DCB)衬底和直接铝键合(DAB)衬底。特别地，可以使用DCB衬底，其包括直接处于铜层和另一个铜层之间的陶瓷(或其它材料)层。DCB衬底提供了用于在一个铜侧上安装半导体芯片并且经由冷却结构进行有效散热的适当基础，该冷却结构可以直接安装在另一个铜侧上。通过使用DAB衬底也可以实现该目标。DCB和DAB衬底是可商业获得的并且因此允许安装和冷却问题的成本有效的解决方案。
[0019]在一个实施例中，第一冷却结构和第二冷却结构中的至少一个包括冷却回路的阵列。在本申请的上下文中，术语“冷却回路的阵列”可以特别表示大量环状、蜿蜒状、锯齿状或之字形的导热结构的布置形式。任意冷却回路阵列例如可以包括至少10个，特别是至少100个，更特别为至少500个单独的回路，它们在其附接于其上的平面金属表面上垂直突出。每个回路可以单独或者连同附接于该回路上的衬底表面一起围成环形开口，冷却流体可以通过该环形开口流动以实现高强度的热交换。它们可以由诸如铝或铜的金属材料制成。这样的回路可以直接键合至以上所提到的层堆叠衬底的金属表面上以接收来自半导体芯片的热量，该热量随后能够由于冷却回路大的有效表面而被有效传输到诸如气体(例如，空气)或液体(例如，7JO的周围冷却流体。这样的冷却回路阵列基本上可以是一维的，即冷却回路的线性布置形式。然而，进一步优选的是，冷却回路被二维布置从而例如覆盖功率模块的两个相对表面的矩形平面表面。这提供了从半导体芯片非常有效的热量传输。
[0020]在一个实施例中，冷却回路阵列包括由键合线和键合带所构成的组中的至少一个。这些键合线或带可以是曲折条带。键合线可以被认为是细丝状的元件，优选地由金属材料制成(诸如铝或铜或者涂覆铝的铜)，其直接与附接衬底的金属表面相连接。与此相t匕，冷却条可以是例如由金属材料所制成并且被弯曲以便形成回路的条状或片状结构。这样的冷却带可以具有进一步有所增加的表面而使得热传输效率能够进一步提闻。键合线和键合带都可以通过标准键合器机附接至衬底表面上。
[0021]在一个实施例中，第一冷却结构和第二冷却结构中的至少一个包括铝和铝合金的群组中的一个。铝是高导热材料，其也能够适当处理以便形成冷却回路。铜是用于形成冷却结构的良好的替代材料。
[0022]在一个实施例中，该功率模块包括将第一键合衬底的第一键合表面与半导体芯片的第一主表面进行桥接的热互连结构，其中第二键合衬底在第二键合表面处直接连接至半导体芯片的第二主表面。在这样的实施例中，半导体芯片的一个主表面可以直接键合至衬底中的一个衬底的相邻表面。因此，能够实现非常良好的热耦合。在半导体芯片另外的主表面上，具有高导热性的热互连结构(诸如固态金属块，例如铜)可以被布置为在一侧上与半导体芯片直接接触并且在另一侧上与其它衬底直接接触，由此建立适当的热耦合并且还在半导体芯片和衬底之间形成间隔物。
[0023]在一个实施例中，功率模块包括容纳至少一个半导体芯片、第一键合衬底和第二键合衬底模塑复合物。引线框可以部分在该模塑复合物之外延伸，并且冷却结构可以完全在其外延伸。这样的模塑复合物(或者封闭结构)封装、包围或容纳以上所提到的功率模块的组件，特别是两个衬底和半导体芯片。其也可以包围另外的组件，诸如互连结构。该模塑复合物可以由一种或多种材料制成，并且例如可以由塑料材料或陶瓷材料制成。
[0024]在一个实施例中，该模塑复合物连续连接至第一键合衬底和第二键合衬底而使得第一键合衬底和第二键合衬底中的每一个的外表面与该模塑复合物的外表面齐平，并且第一和第二冷却结构突出相应外表面之外。因此，在相应键合表面和模塑复合物的连接部分之间可能是无级(stepless)过度的，由此防止了对冷却流体沿该外表面的流动造成不期望出现的紊流。因此，通过这样的连续外表面能够改善热交换。
[0025]在一个实施例中，功率模块可以包括引线框，该引线框用于将半导体芯片电连接至可连接设备(诸如功率模块能够作为电子组件插入其中的板)的插口(其被成形并大小设定为用于利用形式封闭接纳功率模块的引线框从而同时建立机械和电耦合)。该引线框可以平行于第一散热表面和第二散热表面而部分在模塑复合物之外延伸并且部分在其外延伸。利用该引线框，功率模块包括用于电耦合至插口内的导电轨线的扁平电连接触点。
[0026]在一个实施例中，功率模块被配置为板状功率模块。例如，该功率模块在板的第一方向和第二方向的尺寸都可以为该功率模块在第三方向的尺寸的至少5倍，特别为10倍，这三个方向互相垂直。
[0027]在一个实施例中，该功率模块包括冷却外壳，该冷却外壳至少包围半导体芯片、第一键合衬底、第二键合衬底、第一冷却结构和第二冷却结构。其还可以包围模塑复合物。该冷却外壳可以包括用于将冷却流体供应至第一冷却结构和第二冷却结构的冷却流体供应(诸如流体接口)，以及用于在与第一冷却结构和第二冷却结构进行热交换之后排放冷却流体的冷却流体排放口(诸如另一个流体接口)。该冷却外壳可以包围功率模块的所有其它组件，除了可选地引线框的一部分。在冷却外壳和功率模块的模塑化合物或封装结构之间，可以形成一个空闲空间，诸如水(或者如许多车辆中可用水和乙二醇的混合物)的冷却流体能够被泵入该空间。
[0028]在一个实施例中，冷却回路的第一二维阵列和冷却回路的第二二维阵列中的至少一个被配置为冷却回路的并行的行的集合，其中不同行的冷却回路相对于彼此交错(例如，可以提供交替行，其中奇数行相对于彼此对齐，偶数行相对于彼此对齐，并且奇数和偶数行相对于彼此不对齐)。因此，在冷却流体的流动方向中，冷却流体通过空间上不对齐的冷却回路，这涉及到流动阻抗。这促成了流动的冷却流体的扰动，后者进而对冷却流体和冷却回路之间的热交换有所改进。
[0029]在一个实施例中，冷却回路的第一二维阵列和冷却回路的第二二维阵列中的至少一个被配置为冷却回路的衬垫。特别地，冷却回路可以按照行和列进行布置，由此形成基本上矩阵状的结构。这样的配置能够有效地从功率设备移除热。
[0030]在一个实施例中，半导体芯片包括由开关、二极管、半桥和逆变器所构成的群组中的至少一个集成电路组件。功率模块的集成电路组件因此可以是开关(诸如金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等)、半桥(即，具有两个开关和相对应二极管的逆变器引脚)和三相逆变器(即，六个开关和相对应的二极管)。多个这样的组件可以被集成在相同的半导体芯片中，或者包括这些和/或其它集成电路组件的多个半导体芯片可以形成功率模块的一部分。功率模块可以被配置用于汽车应用，诸如用于混合动力车辆中的电池充电器。当对这样的电池或蓄电池进行充电时，400安培或更大的电流流过而导致巨大的热量消散。利用直接衬底冷却架构，甚至更为优选地利用根据示例性实施例的双侧冷却，能够以有效的方式从半导体芯片去除这样的热量。
[0031]在一个实施例中，键合衬底的电绝缘板由具有至少大约10W/(mK)特别是至少200ff/(mK)的导热性的材料所制成。因此，该电绝缘板可以用于将半导体芯片从其功率模块外部去除电耦合，同时在半导体芯片和功率模块外部即相对应的冷却结构之间提供适当的热耦合。
[0032]根据示例性实施例，提供了一种对具有以上所提到的特征的对功率模块进行冷却的方法，其中该方法包括沿第一冷却结构引导冷却流体，并且沿第二冷却结构引导冷却流体。这样的冷却流体可以是诸如水的液体，或者是诸如空气的气体。该冷却流体被供应至冷却结构从而以紊流方式而不是层流方式沿冷却结构流动并通过该冷却结构。这确保了明显的热交换并且因此确保了了适当的冷却性能。
[0033]作为形成半导体芯片的基础，可以使用半导体衬底，优选地可以使用硅衬底。可替换地，可以提供硅氧化物或者另一种绝缘体衬底。还可能实施锗衬底或者II1-V半导体材料。例如，可以以GaN或SiC技术实施示例性实施例。对于包装、模塑或封装而言，可以使用塑料材料或陶瓷材料。此外，示例性实施例可以利用标准半导体处理技术，诸如适当蚀刻技术(包括各向同性和非各向同性蚀刻技术、特别是等离子蚀刻、干性蚀刻、湿性蚀刻)、图案技术(其可以涉及光刻掩膜)、沉积技术(诸如化学汽相沉积(CVD)、等离子增强化学汽相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、溅射等)。
[0034]通过以下结合附图所进行的描述和所附权利要求，本发明的以上和其它目标、特征和优势将会是显而易见的，附图中同样的部分或元件由同样的附图标记所表示。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]包括于此以提供对示例性实施例的进一步理解并且构成说明书一部分的附图图示出了示例性实施例。
[0036]其中:
[0037]图1示出了根据示例性实施例的功率模块的截面图。
[0038]图2示出了根据另一个示例性实施例的功率模块的第一三维视图。
[0039]图3示出了图2的功率模块的第二三维视图。
[0040]图4图示了根据示例性实施例的弯曲键合带以形成用于功率模块的冷却回路的过程。
[0041]图5图示了用根据图4所产生的冷却回路的线覆盖的直接铜键合衬底的平面图。
[0042]图6图示了根据示例性实施例的弯曲键合线以形成冷却回路的过程。
[0043]图7图示了用根据图6所产生的冷却回路的线覆盖的直接铜键合衬底的平面图。
[0044]图8至图15图示了根据示例性实施例的在执行制造具有双侧直接衬底冷却的功率模块的过程期间所获得的不同结构。
[0045]图16示出了根据另一个示例性实施例的功率模块。
【具体实施方式】
[0046]图中的图示是示意性的。
[0047]在对示例性实施例进一步详细描述之前，将对本发明人的一些基本考虑进行概括，已经基于上述基本考虑研发了提供功率模块成本有效的冷却的示例性实施例。
[0048]常规地，已经考虑了不同概念来研发可有效冷却的功率模块。
[0049]在一个常规概念中，功率模块了利用导热胶被附接到外部冷却器上。然而，这样的方法的缺点是热耦合不良。
[0050]在另一种常规方法中，功率模块被安装在水冷钉状翅片板上(例如，通过将DCB衬底焊接在钉状翅片板上)。然而，考虑到所插入的焊接层和钉状翅片板的厚度，这具有钉状翅片板的材料成本高以及对于许多应用而言热耦合不足的缺点。
[0051 ] 然而，在两种常规概念中，仅以例如模块底侧的一个方向执行热的去除或耗散。
[0052]与这样的传统方式相对，不例性实施例使用DCB衬底的外部或外侧(例如铜)表面而将其键合在导热材料(诸如铝)的导热材料的线或带上，从而可以实现衬底的直接流体冷却。通过功率模块相对应的内部构造，两个相对的大表面区域能够被用于该目的。因此，能够建立功率模块的双侧冷却。
[0053]还可能使用DAB(直接铝键合)衬底或其它类似衬底而使得冷却界面例如可以是纯铝(衬底板加上键合结构)。冷却线/带以及衬底金属化可以为纯铝或铝合金从而能够抑制锈蚀效应。如可以在DCB衬底的情况下使用的镍涂层并非是必要的，这进一步降低了成本。
[0054]最后，示例性实施例的主旨在于冷却线或冷却条或者其它类型的冷却结构直接在衬底表面上的双侧应用。
[0055]在下文中，参考图1，将对根据一个示例性实施例的功率模块100的截面图进行解释。
[0056]功率模块100包括半导体芯片102。半导体芯片102包括例如由硅所制成的半导体衬底，并且包括集成在该半导体衬底中的多个集成电路组件(未示出)，诸如晶体管、二极管等。半导体芯片102已经从晶片被单一化。如能够从图1中进一步看出的，半导体芯片102包括底部主表面170以及上部主表面172。因此，两个主表面170、172被布置在半导体芯片102的相对两侧上，并且是半导体芯片102的所有表面区域中最大的两个。不同于单个半导体芯片102，也可能有多个半导体芯片102组装在功率模块100中。
[0057]第一直接铜键合(DCB)衬底106也形成功率模块100的一部分并且用作半导体芯片102的第一键合衬底。第一 DCB衬底106具有上部键合表面174，其直接连接至半导体芯片102的底部主表面170。与上部键合表面174相对的是第一 DCB衬底106的第一下部散热表面176。
[0058]此外，提供有第二直接铜键合(DCB)衬底108，其具有经由热互连104间接耦合至半导体芯片102的上部键合表面172的下部键合表面178，该热互连被实现为铜块并且用作导热间隔物。第二 DCB衬底108还具有与下部键合表面178相对的上部散热表面180。下部散热表面176以及上部散热表面180都部分暴露于周围大气，即部分形成功率模块100暴露于环境的外表面部分。
[0059]具有图1中的曲面外观的功率回路的第一二维阵列122以二维方式像衬垫一样(即在图1中的水平方向以及垂直于图1的纸面的方向进行延伸)直接布置在下部散热表面176上。以相对应的方式，具有图1中的曲面外观的功率回路的第二二维阵列124像衬垫一样(即在图1中的水平方向以及垂直于图1的纸面的方向进行延伸)直接布置在上部散热表面180上。冷却回路122、124由铝合金制成从而考虑到铝非常好的导热性而能够进行适当的热传输，以及通过所增加的铝合金金属而提供了锈蚀保护。
[0060]第一 DCB衬底106由中心陶瓷板114所制成，在其相对的两个主表面上包括相应的铜质层110、112。以类似的方式，第二 DCB衬底108也包括中心陶瓷层120，中心陶瓷层120具有附接到其主表面的相应的铜质层116、118。
[0061]由塑料材料所制成的包装或模塑复合物130被用作功率模块100的各种组件的封装。因此，如能够从图1所看到的，具有所连接的DCB衬底106、108的半导体芯片102由模塑复合物130所包装。
[0062]当半导体芯片102正常使用时，其处理性能生成欧姆热量。这经由其两个主表面170、172有效去除。通过其下部主表面170，经由第一DCB衬底和冷却回路122实现热传输。而且，经由其上表面172，能够经由热互连104、第二 DCB衬底108和冷却回路124进行有效散热。传输至冷切回路122、124的热能能够分别通过冷却流体126、128而被传输远离功率模块100，上述冷却流体126、128能够沿功率模块100的上表面和下表面导通。
[0063]如能够从图1看到的，第二 DCB衬底108的第二散热表面180和模塑复合物130的上表面形成连续无级结构，其具有彼此齐平的对齐表面部分。对于第一 DCB衬底106的下部散热表面176和模塑复合物130所连接的表面部分同样保持如此。仅有冷却回路124、122在功率模块100的上侧和下侧的这些连续平面表面上垂直突出。因此，以层流方式在图1中的箭头所示的方向进行流动的冷却流体126、128因此将以紊流方式围绕在功率模块100的平面表面上突出的冷却回路124、122流动，从而执行非常有效的热交换。
[0064]图2示出了根据示例性实施例的图1中所示类型的功率模块100的第一三维视图。图3示出了该卡盒状的功率模块100的另一三维视图。
[0065]如能够从图2和图3所看到的，引线框1100的电耦合至模塑化合物130所封装的半导体芯片的刚性平面接触带突出至模塑化合物130之外并且形成用于连接至板、机架或其它类型的设备的电耦合结构。
[0066]图4图示了根据示例性实施例的弯曲键合带400以形成用于功率模块(如图1至图3所示之一)的冷却回路124的过程。所示出的键合带400是由键合器机器使用的用于形成带状键合的类型。其宽度为2cm，更一般地处于3mm和5cm的范围之内。在该实施例中，其厚度为200 μ m。更一般地，其厚度处于10ym和400 μ m之间。当利用键合器机器对键合带400进行处理时，其可以被弯曲从而形成图4所示的曲面冷却回路124。其上端由附图标记502表示。针对键合衬底的连接部分由附图标记402表示。冷却回路124的高度为5mm。更一般地,它们的高度可以处于Imm和Icm的范围内。
[0067]图5图示了用根据图4所产生的冷却回路124的线500 (其示出了一个这样的线)覆盖的直接铜键合(DCB)衬底的平面图。图5图示出单独的线500交替错位从而相邻线500的冷却回路124的末端502也是错位的。这促成了冷却流体128在通过冷却回路124时的紊流流动，由此进一步改善热交换。
[0068]图6图示了根据示例性实施例的弯曲键合线600以形成用于功率模块(如图1至图3所示之一)的冷却回路124的过程。所示出的键合线600是由键合器机器使用用来形成线键合的类型。其具有直径为200 μ m的圆形横截面。更一般地，其直径处于100 μ m和Imm的范围内。当利用键合器机器对键合线600进行处理时，其可以被弯曲从而形成图6所示的曲面冷却回路124。其上端利用附图标记502表示。针对键合衬底的连接部分利用附图标记402表示。冷却回路124具有5mm的高度。更一般地，它们的高度可以处于Imm和Icm的范围内。
[0069]图7图示了用根据图6所产生的冷却回路124的线700 (其示出了一个这样的线)覆盖的直接铜键合(DCB)衬底的平面图。图7图示了被分组为相邻线700的交替配对的单独的线700。相邻线的配对相对于彼此进行错位从而线700的不同配对的冷却回路124的尖端是错位的。这促成了冷却流体128在通过冷却回路124时的紊流流动由此进一步改善热交换。
[0070]图8至图15图示了根据示例性实施例的在执行制造具有双侧直接衬底冷却的功率模块的过程期间所获得的不同结构。
[0071]图8示出了具有陶瓷板114的第一直接铜键合衬底106的平面图，铜质板110已经在该陶瓷板114上形成图案以形成了两个不同部分。
[0072]如图9所示，两个半导体芯片102因此被置于图8的分层序列的顶部，更具体地，半导体芯片102被安装在形成图案的铜质板110的每个不同部分上。在其它实施例中，可以在第一直接铜键合衬底106上安装任意其它数量的半导体芯片102，该数量例如一个和十二个之间的。当使用针对汽车应用(例如，针对混合动力车辆的充电器)的功率模块100时，可以适当地将至少一个IGBT和至少一个二极管集成在(多个)半导体芯片102中。
[0073]如能够从图10中所示的另外的平面图中所看出的，随后能够在图9的分层序列的顶部形成导电引线1000从而形成半导体芯片102之间的电连接。
[0074]图11示出了结构的另一个平面图，其中基于图10，引线框1100已经被物理连接至陶瓷板114并且经由导电引线1102电连接至半导体芯片102。引线框1100到图10的结构的连接可以通过焊料、焊接等来执行。
[0075]图12示出了包括图11的结构的结构的截面图。根据图12，图11的结构已经经由也作为间隔物的铜块的形式的可选热互连件104而连接至第二直接铜键合衬底108。热互连104的下表面和上表面的连接同时通过使用焊料膏1200来执行。
[0076]为了获得图13中的截面图中所示的结构，图12的结构被导热塑料材料的模塑化合物130所封装。
[0077]为了基于图13中所示的结构获得根据图14中所示的示例性实施例的功率模块100，直接在铜质板116、112上暴露于外部的金属表面上分别直接形成冷却回路122、124。为此，常规引线接合器(未示出)可以从环装线卷(endless roll)对键合线的部分进行切害I]、弯曲并且(例如通过超声)直接附接到铜质板116、112的金属表面上，同时裹上键合线的一部分从而形成尖端502。
[0078]图15示出了中空的冷却外壳1500已经被安装在半导体芯片102、键合衬底106、108、冷却回路122、124以及模塑结构130上。特别地，其以在其间保持有空闲空间1502的方式包围后者的组件。仅引线框1100延伸出冷却外壳1500之外。如能够从图15所看到的，冷却外壳1500具有冷却液体供给口 1504，其可连接到供给软管1506而使得冷却水126、128能够被供应至空闲空间1500以促成与冷却回路122、124的紊流热交换。在该热交换之后，冷却水126、128经由冷却液体排放口 1508和所连接的排放软管1510而从空闲空间1502排出。
[0079](具有冷却外壳1500的)功率模块100因此能够被插入板1514的插口1512从而形成机械和电气连接。特别地，引线框1100因此与板1514的导电轨线1516电接触。由直接键合至DCB衬底106、108的双侧冷却回路122、124和冷却液体之间的紊流热交换排出由半导体芯片102所生成的热量提供了非常有效的冷却。
[0080]图16示出了根据另一个示例性实施例的功率模块100。
[0081]图16的功率模块100是非常简单的实施例。其包括半导体芯片102、包括导电板116的键合衬底1600以及直接附接至导电板116并且热耦合至半导体芯片102的导热电绝缘板120。冷却回路124的阵列直接附接至导电板116并且被配置为在与冷却流体128交互时从半导体芯片102进行散热。
[0082]该简单实施例已经提供了直接衬底冷却的优势，即冷却回路124直接附接到导电板116上。因此，在不需要庞大基板的情况下，半导体芯片102能够被有效冷却。可选地并且并未在图16中示出，能够在半导体芯片102和电绝缘板120之间提供另外的金属板，而使得两个金属板和电绝缘板120因此能够共同形成直接铜键合衬底。
[0083]应当注意的是，术语“包括”并不排除其它元素或特征，并且“一”或“一个”并不排除多个。而且，关联于不同实施例进行描述的元件可以被组合。还应当注意的是，附图标记不应当被理解为对权利要求的范围进行限制。此外，本申请的范围并非意在被限制于说明书中所描述的过程、机器、制造、物质合成、装置、方法和步骤的特定实施例。因此，所附实施例意在包括在这样的过程、机器、制造、物质合成、装置、方法和步骤的范围之内。
【权利要求】
1.一种功率模块，包括: 半导体芯片，所述半导体芯片具有第一主表面以及与所述第一主表面相对的第二主表面； 第一键合衬底，所述第一键合衬底具有耦合至所述半导体芯片的所述第一主表面的第一键合表面，并且具有与所述第一键合表面相对的第一散热表面； 第二键合衬底，所述第二键合衬底具有耦合至所述半导体芯片的所述第二主表面的第二键合表面，并且具有与所述第二键合表面相对的第二散热表面； 第一冷却结构，所述第一冷却结构在所述第一散热表面上被配置用于在与冷却流体交互时从所述半导体芯片去除热；以及 第二冷却结构，所述第二冷却结构在所述第二散热表面上被配置用于在与所述冷却流体交互时从所述半导体芯片去除热。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述第一键合衬底被配置为第一金属-电绝缘体和热导体-金属板的层叠，其中所述第一键合衬底的金属的第一键合表面耦合至所述半导体芯片的所述第一主表面，并且所述第一键合衬底的金属的第一散热表面直接连接至所述第一冷却结构。
3.根据权利要求2所述的功率模块，其中所述第二键合衬底被配置为第二金属-电绝缘体和热导体-金属板的层叠，其中所述第二键合衬底的金属的第二键合表面耦合至所述半导体芯片的所述第二主表面，并且所述第二键合衬底的金属的第二散热表面直接连接至所述第二冷却结构。
4.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述第一键合衬底和所述第二键合衬底中的至少一个包括由直接铜键合衬底和直接铝键合衬底所构成的组中的一个。
5.根据权利要求1所述的功率模块，其中所述第一冷却结构和所述第二冷却结构中的至少一个包括冷却回路的阵列。
6.根据权利要求5所述的功率模块，其中所述冷却回路的阵列包括由弯曲的键合线和曲折弯曲的键合带所构成的组中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的功率模块， 包括将所述第一键合衬底的所述第一键合表面与所述半导体芯片的所述第一主表面进行桥接的热互连结构； 其中所述第二键合衬底在所述第二键合表面处直接连接至所述半导体芯片的所述第二主表面。
8.根据权利要求1所述的功率模块，包括封装所述半导体芯片、所述第一键合衬底和所述第二键合衬底的模塑复合物。
9.根据权利要求8所述的功率模块，其中所述模塑复合物连续连接至所述第一键合衬底和连接至所述第二键合衬底，使得所述第一键合衬底和所述第二键合衬底中的每一个的外表面与所述模塑复合物的外表面齐平，并且所述第一冷却结构和所述第二冷却结构突出相应的外表面之外。
10.根据权利要求8所述的功率模块，包括用于将所述半导体芯片电连接至可连接设备的插口的引线框，其中所述引线框平行于所述第一散热表面和所述第二散热表面而部分在所述模塑复合物之外延伸。
11.根据权利要求1所述的功率模块，包括冷却外壳，所述冷却外壳包围所述半导体芯片、所述第一键合衬底、所述第二键合衬底、所述第一冷却结构和所述第二冷却结构，并且包括用于将所述冷却流体供应至所述第一冷却结构和所述第二冷却结构的冷却流体供应以及用于在与所述第一冷却结构和所述第二冷却结构进行热交换之后排放所述冷却流体的冷却流体排放口。
12.—种功率模块，包括: 半导体芯片，所述半导体芯片具有第一主表面以及与所述第一主表面相对的第二主表面； 冷却回路的第一二维阵列，所述冷却回路的所述第一二维阵列与所述第一主表面热耦合并且被配置用于在与冷却流体交互时从所述半导体芯片去除热；以及 冷却回路的第二二维阵列，所述冷却回路的所述第二二维阵列与所述第二主表面热耦合并且被配置用于在与冷却流体交互时从所述半导体芯片去除热。
13.根据权利要求12所述的功率模块，进一步包括: 第一金属-电绝缘体和热导体-金属板的层叠，其具有耦合至所述半导体芯片的所述第一主表面的金属的第一键合表面，并且具有与所述第一键合表面相对并且连接至所述冷却回路的第一阵列的金属的第一散热表面； 第二金属-电绝缘体和热导体-金属板的层叠，其具有耦合至所述半导体芯片的所述第二主表面的金属的第二键合表面，并且具有与所述第二键合表面相对并且连接至所述冷却回路的第二阵列的金属的第二散热表面。
14.根据权利要求12所述的功率模块，其中所述冷却回路的所述第一二维阵列和所述冷却回路的所述第二二维阵列中的至少一个被配置为冷却回路的并行的行的集合，其中不同行的冷却回路相对于彼此交错。
15.一种功率模块，包括: 半导体芯片； 键合衬底，所述键合衬底包括导电板以及直接附接至所述导电板并且与所述半导体芯片热耦合的电绝缘板；以及 冷却结构的阵列，所述冷却结构的阵列直接附接至所述导电板并且被配置为在与冷却流体交互时从所述半导体芯片去除热。
16.根据权利要求15所述的功率模块，其中所述半导体芯片包括由开关、二极管、半桥和逆变器所构成的组中的至少一个集成电路组件。
17.根据权利要求15所述的功率模块，其中所述电绝缘板由具有至少10W/(mK)的导热性的材料所制成。
18.—种制造功率模块的方法，所述方法包括: 将第一键合衬底的第一键合表面耦合至半导体芯片的第一主表面； 将第二键合衬底的第二键合表面耦合至所述半导体芯片的第二主表面，其中所述第二主表面与所述第一主表面相对； 将第一冷却结构布置在所述第一键合衬底的第一散热表面上，其中所述第一散热表面与所述第一键合表面相对； 将第二冷却结构布置在所述第二键合衬底的第二散热表面上，其中所述第二散热表面与所述第二键合表面相对；以及 将所述第一冷却结构和所述第二冷却结构中的每一个配置为在与冷却流体交互时从所述半导体芯片去除热。
19.一种制造功率模块的方法，其中所述方法包括: 将冷却回路的第一二维阵列热耦合至半导体芯片的第一主表面； 将冷却回路的第二二维阵列热耦合至所述半导体芯片的第二主表面，其中所述第二主表面与所述第一主表面相对；以及 将冷却回路的所述第一二维阵列与冷却回路的所述第二二维阵列中的每一个配置用于在与冷却流体交互时从所述半导体芯片去除热。
【文档编号】H01L23/473GK104134638SQ201410178315
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2013年5月3日
【发明者】W·哈布莱, A·格雷斯曼, F·温特, O·盖特纳, A·施瓦茨, A·赫布兰特, L·柯尼希, A·尤勒曼 申请人:英飞凌科技股份有限公司