功率半导体模块、其制造方法和电转换器与流程

本公开涉及一种用于制造功率半导体模块的改进的方法，该方法示出了改进的制造工艺。本公开进一步涉及一种改进的功率半导体模块和电转换器。

背景技术：

1、功率半导体模块通常在本领域中是广泛已知的。此类功率半导体模块(例如，工业绝缘栅双极晶体管(igbt)模块)包括多个功率半导体器件(也称为芯片)。硅基功率器件(诸如，例如igbt)可以制造成每芯片具有高额定电流。然而，宽带隙器件(诸如，碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(sic mosfet)或氮化镓高电子迁移率晶体管(gan hemt))每芯片具有通常低的额定电流以抵消来自半导体材料和加工的良率问题。因此，许多小器件常常并联以实现有竞争力的(目标性)额定电流。

2、然而，如果一个芯片在嵌入工艺期间损坏，则此类配置导致损失具有全部芯片的整个封装的风险。因此，需要对功率半导体模块的制造工艺有高的要求，以便避免由于损坏所致的芯片损失。进一步地，尽管满足了所有要求，但如果芯片损失，则可能产生高的生产成本。

3、因此，就此而言，现有技术给出了改进的空间。示例性地，需要一种解决方案，其关于在功率半导体模块的制造工艺期间由于损坏所致而损失芯片改进了功率半导体模块的制造。

技术实现思路

1、本公开的实施例全部或部分地解决了现有技术中的以上缺点，如下文进一步解释的。这些至少部分地通过提供允许改进制造功率半导体模块的工艺并提供改进的功率半导体模块和电转换器的解决方案来解决，这些措施解决或减少了上文提到的问题。

2、上文提到的目的至少部分地通过具有独立权利要求1的特征的功率半导体模块来解决。该目的进一步至少部分地通过具有独立权利要求9的特征的电转换器和通过具有独立权利要求11的特征的用于制造功率半导体模块的方法来解决。在从属权利要求中、在进一步的描述中以及在附图中给出了进一步的实施例，其中，除非明确地被排除，否则所描述的实施例可以单独地或以相应实施例的任何组合来提供本公开的特征。

3、根据第一方面，一种用于制造功率半导体模块的方法，其中，该功率半导体模块包括多个功率半导体器件，所述方法包括：

4、a)提供用于承载所述多个功率半导体器件的至少一个衬底；

5、b)将所述多个功率半导体器件放置在所述至少一个衬底上；

6、其中，该方法进一步包括如下的制造步骤：

7、c)测量所述所述多个功率半导体器件中的一个或多个功率半导体器件是否损坏；

8、d)将功率半导体器件中包括至少两个功率半导体器件的至少一部分以并联配置电互连；

9、其中，在实现步骤c)和d)之后并且在一个或多个功率半导体器件为损坏的功率半导体器件的情况下，

10、将所述一个或多个损坏的功率半导体器件与未损坏的功率半导体器件电分离；并且

11、其中，在实现步骤c)和d)之后，呈并联配置的电互连的功率半导体器件中的至少两个是未损坏的功率半导体器件。

12、该方法的优点是它提供了一种解决方案，该解决方案允许降低损失整个功率半导体模块(尽管具有损坏的芯片)的危险。此类方法显著降低了例如模块损失和损失大量未损坏的芯片的危险。因此，该方法显著改进了功率半导体模块的制造。

13、如所描述的方法适合于制造功率半导体模块，其中，该功率半导体模块包括多个功率半导体器件。作为要形成的功率半导体模块的一部分的功率半导体器件可通常以并联配置电互连。那些并联连接的器件例如是sic器件的半桥配置的一部分。在所述半桥配置中，两组半导体器件串联连接，其中，那些组中的每一者内的器件并联连接。此类半桥配置与由具有单个开关的配置的两个单独功率模块形成的相同配置相比具有如下优点：它减少了相应模块的杂散电感。

14、就此而言，宽带隙器件(诸如，sic mosfet或gan hemt)正越来越多地进入市场。造成这种情况的一个主要原因是与当今的硅功率器件相比卓越的开关性能。那些宽带隙设计的切换速度快得多，这减少了切换损耗。高切换速度对包含芯片并将它们与功率电子系统(诸如，转换器)连接的功率模块的电磁设计提出了挑战，诸如低电感。

15、另一方面，与硅器件相比，宽带隙功率器件小得多，并且可以每芯片承载显著较小的电流。因此，为了实现高功率，在功率模块内部将许多芯片(诸如，例如高达40个或甚至更多)并联连接。电磁设计可以是有利的，其中所有芯片都经历相同的栅极信号并具有相同的电磁耦合，使得它们在切换期间和在传导期间全部都均等地共享电流。此外，所有芯片都进行良好冷却可以是有利的。然而，例如为了达到模块的此类要求，应避免的是，在制造工艺期间，由于单个或少量功率半导体器件的损坏所致而损失大量功率半导体器件。

16、这些要求可通过根据本公开的上文提到的方法来解决。

17、在步骤a)中提供的衬底可通常根据具体要求来选择，并且可通常充当用于定位功率半导体器件的支撑件。此类衬底例如可以是陶瓷衬底，其借助于相应的金属化层(metallic substrate)来承载功率半导体器件，或者衬底可以是金属衬底，诸如例如引线框。然而，那些示例并不限制本公开。

18、关于在根据第一方面的方法中提到的功率半导体器件，这些功率半导体器件可根据期望的需求和所形成的功率半导体模块的特性来选择。然而，为了实现目标性额定电流，将半导体器件并联连接可以是有利的。

19、进一步地，将功率半导体器件放置在衬底上可通常根据现有技术来完成，例如直接地或通过在衬底上提供相应的连接层(诸如，金属化层)。

20、在已将功率半导体器件放置在衬底上之后，测量一个或多个功率半导体器件是否损坏。功率半导体器件损坏的状态通常是它不能正常工作而是偏离预定义特性的任何状态。因此，未损坏的功率半导体器件是正常工作并因此在预定义特性内的任何器件。例如，有缺陷的芯片可表现为栅极发射极短路、栅极电流泄漏高或电压阻断能力不足。

21、该测量步骤可通常通过确定功率半导体器件的参数并将所述参数与预定义特性及因此与对应的预定义和预期参数进行比较来完成。如果所有功率半导体器件都被确定为正常工作，则互连可保持不变，正如这些功率半导体器件在测量步骤之前互连的情况那样。如果功率半导体器件在测量之前没有互连，则在这种情况下，在测量确定它们全部都正常工作之后，可将它们全部都互连。

22、随后，将功率半导体模块的功率半导体器件的至少一部分电互连。将至少两个未损坏的功率半导体器件以并联方式互连。由此，可确保不会由于一个或几个半导体器件的损坏所致而损失整个模块并因此损失大量功率半导体器件。

23、将功率半导体器件电互连的步骤可通常如本领域中从功率半导体模块的制造领域中已知的那样执行。例如，该步骤可通过用电导体连接功率半导体器件来执行，这些功率半导体器件已放置在导电结构的相应位置上，诸如在相应的金属化层上。

24、此外，如果在测量步骤中确定了至少一个损坏的功率半导体器件，则该方法包括以下步骤：将所述至少一个损坏的功率半导体器件与未损坏的功率半导体器件电分离。更详细地，将被确定为损坏的所有功率半导体器件电分离并因此与剩余的及因此未损坏的功率半导体器件至少部分地电断连。这可以通过移除已经互连的功率半导体器件之间的电连接件或者通过在互连步骤中不互连损坏的功率半导体器件来完成。

25、因此，该步骤允许分别从换向回路或换向单元移除(多个)损坏的芯片。

26、根据第一方面的一个实施例，对于功率半导体器件的一部分，在步骤c)之前实现步骤d)，且对于功率半导体器件的另一部分，在步骤d)之前实现步骤c)。在第一方面的另一个实施例中，对于所有功率半导体器件，在步骤c)之前实现步骤d)。在第一方面的又一实施例中，对于所有功率半导体器件，在步骤d)之前实现步骤c)。根据那些实施例，测量已经以并联方式互连的芯片，或者在芯片还没有与进一步的功率半导体器件电互连的状态下测量这些芯片，或者以上情况的组合。

27、因此，该方法包括以下步骤：将未损坏的功率半导体器件的至少一部分或全部以并联配置互连，由此使损坏的功率半导体器件与其电绝缘。更详细地，可示例性地规定：将被检测为未损坏的所有芯片以并联配置互连，但如果芯片被检测为损坏的，则此类芯片不与未损坏的芯片互连。换句话说，只有未损坏的芯片才互连，并且损坏的芯片被排除在换向回路之外。由此，可以以芯片特定的方式执行芯片的互连。

28、在这个背景下，将功率半导体器件电分离意味着将它们排除在换向回路之外，使得它们不干扰模块的性能。在那方面，并非损坏的功率半导体模块与未损坏的功率半导体模块之间的所有电连接件都需要移除。例如，有可能将到损坏的功率半导体模块的发射极和栅极的电连接件断连，但保持其他触点被连接。

29、因此，概括而言，本方法是基于以下一般步骤：分别测量各个芯片、识别损坏的芯片或毁坏的芯片；以及将损坏的芯片与未损坏的芯片电分离，以便得到一种布置，其中基本只有未损坏的芯片才得以并联地电互连。

30、根据一个实施例，步骤c)和d)或步骤d)和c)随后轮流执行多次，每次针对所述多个功率半导体器件中的至少一个功率半导体器件。在该实施例的可能配置中，最初，第一功率半导体器件的第一触点(例如，栅极触点)电互连到已经互连的功率半导体器件或电互连到相应的功率半导体模块的其他电路，并且随后，测量所述第一功率半导体器件是否损坏。如果确定第一功率半导体器件已损坏，则将第一功率半导体器件断连并对至少一个进一步的功率半导体器件重复那些步骤。如果确定第一功率半导体器件没有损坏，则第一功率半导体器件保持连接并对至少一个进一步的功率半导体器件重复那些步骤。

31、对未损坏的功率半导体器件的这种逐步测量和互连对于常规功率模块特别有利，其中，线键合用于将功率半导体器件电互连。此类功率半导体器件的栅极的线键合连接可能构成主要风险。对于此类模块，根据上文提到的实施例，可经由线键合来连接第一栅极。在连接第一栅极之后，测量所述器件的源极-栅极连接。如果确定器件已损坏(例如，因为在测量源极-栅极连接时发现短路)，则将相应器件断连并对下一个功率半导体器件重复相同的过程。如果发现被测量器件起作用，则所述器件保持连接并对下一个功率半导体器件重复相同的过程。

32、根据一个实施例，对于此类功率半导体器件(对于此类功率半导体器件，在步骤c)之前实现步骤d)，并且在一个或多个功率半导体器件是损坏的功率半导体器件的情况下，所述一个或多个损坏的功率半导体器件通过中断到所述一个或多个损坏的功率半导体器件的电连接件而与未损坏的功率半导体器件电分离。由此，即使在将功率半导体器件互连之后，有缺陷的功率半导体器件也可仍与无缺陷的功率半导体器件电分离。这样，就实现了上文提到的目的。

33、通常，以上方法与根据现有技术的用于制造功率半导体模块的方法相比具有显著的优点。

34、事实上，可实现的是，那些损坏的芯片不连接到剩余芯片，使得未损坏的芯片可不受干扰地操作。这提高了总良率并因此降低了制造例如高电流模块的成本。

35、进一步的优点尤其包括允许更高水平的集成，这由于因一个或几个毁坏的芯片而损失整个系统的风险降低而成为可能。事实上，多个芯片可位于同一衬底(诸如，例如引线框)上。根据现有技术，常常规定：出于良率的原因，多个芯片各自定位在一个引线框上，然而，这可根据本公开安全地避免。因此，本公开可允许增加功率密度、改进冷却并且设计灵活性更高。

36、关于高设计灵活性，可注意到，本公开也可很好地适用于在底部上电连接的立式器件。例如，igbt具有在底部处的集电极以及在顶部上的栅极和发射极。为了将毁坏的igbt电分离，将顶部触点(即，栅极和发射极)断连已足够。

37、然而，本公开也可适用于(work for)标准功率模块。此处，并联器件的断连可以通过移除键合线或首先不放置它们来完成。

38、因此，本公开适用于范围广泛的模块布置。

39、本公开可使用所谓的pcb技术。就此而言并且如本领域中通常已知的，印刷电路板(pcb)使用导电轨道、焊盘和从层压到非导电衬底的片材层上和/或之间的一个或多个铜片材层蚀刻的其他特征来机械地支撑和电连接电或电子部件。通过使用该技术，可非常有效地执行本公开。进一步地，该方法可以毫无问题地在功率模块中实施，示例性地，该功率模块具有pcb嵌入式并联芯片。

40、详细地，由于多级pcb中良好的电磁设计灵活性所致，pcb嵌入是用于设计具有许多并联芯片的功率模块的一种有前途的技术。然而，良率问题现在转向了封装。根据所呈现的方法，由于如所描述的优点所致，得以克服了这种局限性，例如如果一个芯片在工艺期间损坏，则将它与其余芯片分离并且可以在某个较小降额的情况下使用功率模块。

41、当使用pcb嵌入作为封装技术时，所有那些电磁挑战都可以得到很好的解决。此处，所有信号和功率迹线都可以在多层pcb中很好地布线，以根据需要设计电磁行为。由于pcb嵌入式组件中出色的热扩散，热挑战也得到了很好的解决，这再次对于小型宽带隙芯片是非常重要的。此外，整个转换器可以构建在具有嵌入式半导体的一个pcb上，这使得它非常紧凑。

42、宽带隙器件的缺点是其成本高昂。因此，在每个单一工艺步骤中具有高良率适合于避免昂贵的浪费。当将许多芯片嵌入于一个pcb中时，一个芯片在加工期间毁坏的概率是小的，但并非可忽略不计。如果一个芯片毁坏，则pcb内部的所有芯片(诸如，例如多达40个或甚至多达100个)以及pcb本身都不能再使用了。为了避免这种情况，本公开提出了如下的可能性：将毁坏的芯片电分离并保留可以以降额的性能操作的其余部分。使用的并联芯片越多，芯片出现故障的可能性就越大，且性能降额就越小。因此，本公开对于并联的许多芯片甚至更有利。

43、根据一个实施例，电连接件通过钻孔、切割或冲压来中断。根据该实施例并因此通过规定通过钻孔、切割或冲压来执行将损坏的功率半导体器件与未损坏的功率半导体器件电分离，可实现非常安全的措施，其中可非常有效地确保损坏的功率半导体器件与未损坏的功率半导体器件电分离。因此，可以以非常高效的方式实现上文所描述的优点。

44、除此之外，此类方法可容易地在已知的制造工艺中实施，使得该实施例进一步有助于将本公开也实施到已知的制造工艺中。

45、根据一个实施例，在步骤c)中，在功率半导体器件中的至少一者上提供至少一个测量点以用于测量电、磁或温度参数中的至少一者，以便检测损坏的功率半导体器件。该实施例还允许容易地将本公开实施到已知的制造工艺中。这可主要是由于如下事实所致：测量功率半导体器件是在不提供复杂外围设备(periphery)的情况下可实现的工艺步骤。除此之外，通过测量功率半导体器件并因此通过检查其电子、磁或温度性质，可取得非常信赖可靠的结果，从而允许非常精确地确定损坏的芯片。因此，该实施例进一步有助于以有效的方式达到如前文所描述的优点。

46、根据一个实施例，所述至少一个测量点被形成为从外部可接近的点(spot)以用于中断电连接件。因此，模块可包括允许接触测量触点的相应的孔或凹部。

47、一般地，测量电子性质是一项非常有效的措施，以便确定功率半导体器件是否毁坏。

48、测量点可进一步由预定毁坏点形成，诸如由形成相应的预定毁坏点并且可用于电测量的金属化桥形成。就此而言，毁坏点可设置在对应于或至少主要对应于现有功率半导体模块中的相应触点的位置中，使得这些位置可用于测量功率半导体器件并因此找到损坏的功率半导体器件以及进一步用于将损坏的功率半导体器件与未损坏的功率半导体器件电绝缘，而无需对功率半导体模块本身进行广泛的设计改变。

49、关于以上内容，预定毁坏点是电结构及因此例如金属化层的示例性位置，例如这些金属化层可具有减小的厚度和/或减小的宽度。因此，可以以改进的安全性和可靠性来完成在该位置中将功率半导体器件断连并因此将损坏的功率半导体器件与未损坏的功率半导体器件电分离。

50、进一步地，取决于与剩余芯片分离的芯片的数量，可提供适配的特性以便提供功率半导体模块的正确规格。

51、总而言之，本公开允许利用改进的制造方法来制造具有许多并联芯片的功率模块。

52、关于该方法的进一步优点和技术特征，参考功率半导体模块、转换器、附图和进一步的描述。

53、根据本公开的第二方面，一种功率半导体模块包括承载多个功率半导体器件的衬底，其中，所述多个功率半导体器件包括第一组功率半导体器件和第二组功率半导体器件，该第一组功率半导体器件由未损坏的功率半导体器件组成，并且该第二组功率半导体器件由损坏的功率半导体器件组成。至少两个未损坏的功率半导体器件以并联配置电互连，并且第二组功率半导体器件与第一组功率半导体器件的成员电分离。

54、因此，此类功率半导体模块包括未损坏的并因此以预定义方式工作的第一组功率半导体器件，并且功率半导体模块进一步包括损坏的第二组功率半导体器件。第一组包括至少两个功率半导体器件。例如，第一组功率半导体器件可包括多达40个器件或更多。

55、由于损坏的功率半导体器件与未损坏的功率半导体器件电分离这一事实所致，未损坏的功率半导体器件工作，而没有受到损坏的功率半导体器件的负面影响。

56、这可能导致如关于该方法更详细描述的优点，这些优点也关于功率半导体模块适用。

57、第一组功率半导体器件可包括设置有测量布置结构(arrangement)的至少一个功率半导体器件，其中，该测量布置结构包括至少一个测量点以用于测量所述至少一个功率半导体器件的电子、磁和温度性质中的至少一者。根据一个实施例，所述至少一个测量点可由预定毁坏点形成。

58、例如，所有提供的功率半导体器件都可设置有相应的测量布置结构。替代地，也许还可能提供仅一个或一些测量点来测量多个功率半导体模块的特性并根据测量结果计算哪些功率半导体模块是有缺陷的并将那些功率半导体模块电分离。

59、根据该实施例，像关于该方法所描述的一样，功率半导体模块可布置成对应于或主要对应于现有技术功率模块，以便提供本公开对现有工艺的有效且易于实施的适配。就此而言，已经存在的连接可用于测量功率半导体器件并因此找到损坏的功率半导体器件以及进一步用于将损坏的功率半导体器件与未损坏的功率半导体器件电分离。

60、关于功率半导体模块的进一步优点和技术特征，参考方法、转换器、附图和进一步的描述。

61、根据本公开的第三方面，一种电转换器包括根据第二方面的至少一个功率半导体模块。

62、由于此类逆变器包括如上文关于第二方面所描述的至少一个功率半导体模块这一事实所致，可实现诸如关于第二方面所描述的显著优点。进一步的优点关于该方法进行了详细描述并且也适用于转换器。

63、关于第一、第二或第三方面中的任一者所公开的特征也可相应地应用于任何其他方面。

64、关于转换器的进一步优点和技术特征，参考功率半导体模块、方法、附图和进一步的描述。