具有反向二极管的功率半导体模块的制作方法

本发明涉及一种功率半导体模块和一种半桥模块。

背景技术：

1、在具有电驱动器的汽车应用(诸如电动小汽车和卡车)中，使用半桥模块来组装逆变器，逆变器从dc电流产生驱动电动马达所需的ac电流，dc电流可以由电池提供。目前，这种半桥模块包括si半导体。然而，由于其更高的操作电压和可能的更高切换频率(这可能使得半桥模块的损耗更低且应用更高效)，因此也考虑使用高带隙半导体。这种基于高带隙半导体的功率半导体模块可能受益于新的模块设计，以减少电磁辐射和损耗并提高局部冷却能力。

技术实现思路

1、因此，本发明的目标在于提供一种减少上述问题的功率半导体模块。该目标通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中给出了有利实施例。

2、本发明的第一方面涉及一种功率半导体模块。功率半导体模块是用于机械和电互连半导体芯片的器件。这里和下文中，术语“功率”是指适于处理超过100v和/或超过10a的电压的器件和元件。

3、根据本发明的实施例，功率半导体模块包括：主衬底，主衬底包括至少一个金属化层，所述金属化层被划分为第一区域和第二区域；半导体开关芯片，半导体开关芯片在正端子侧上具有正端子，在与正端子侧相反的负端子侧上具有负端子，适于开关从正端子到负端子的电流，其中，半导体开关芯片通过正端子侧敷接到第一区域；二极管芯片，二极管芯片在阳极侧上具有阳极并在与阳极侧相反的阴极侧上具有阴极，适于阻断从阴极到阳极的电流，其中，二极管芯片通过阳极侧敷接到第二区域；散热器，散热器与半导体开关芯片和二极管芯片相反地连接到主衬底；以及辅助衬底，辅助衬底包括至少一个金属化层，所述金属化层被划分为第三区域和第四区域；其中，半导体开关芯片通过负端子侧敷接到第三区域；其中，二极管芯片通过阴极侧敷接到第四区域；并且其中，第一区域电连接到第四区域并且第二区域电连接到第三区域。

4、总之，功率半导体模块包括半导体开关芯片和二极管芯片，半导体开关芯片和二极管芯片以相同的传导方向并排布置，并且通过两个衬底(主衬底和辅助衬底)反并联地电互连。半导体开关芯片和二极管芯片夹在两个衬底之间，两个衬底具有结构化金属化层并且电互连以产生反并联连接。特别地，在半导体开关芯片与二极管芯片之间存在分离的金属图案和/或区域。二极管通过其阳极侧安装到主衬底，主衬底在其相反侧上具有散热器，使得二极管芯片的阳极侧比阴极侧更好地冷却。通常，二极管中的发热层定位成与在阴极侧上相比更多的在阳极侧上。

5、功率半导体模块包括主衬底，主衬底包括至少一个金属化层，所述金属化层被分成第一区域和第二区域。金属化层在衬底的电隔离层上。可能的是，进一步的金属化层与(第一)金属化层相反地设置在隔离层上。

6、主衬底可以是dbc(直接敷接铜)衬底，即，陶瓷层上的一个或两个铜层。主衬底可以是具有由填充有陶瓷颗粒的聚合物制成的电隔离层的(ims)绝缘金属衬底。一个或多个金属化层可以由金属诸如铜或铝制成。电隔离层可以由塑料和/或陶瓷制成。

7、功率半导体模块包括半导体开关芯片，半导体开关芯片在正端子侧上具有正端子，在与正端子侧相反的负端子侧上具有负端子。半导体开关芯片适于开关从正端子到负端子的电流。为此，半导体开关芯片可以包括控制端子，以控制正端子与负端子之间的路径的电阻。

8、这样的半导体开关芯片(以及下面描述的二极管芯片)可以具有塑料外壳，塑料外壳封入由半导体材料制成的裸片，裸片提供芯片的功能性。半导体开关芯片可以提供和/或可以是晶体管或晶闸管。正端子、负端子和控制端子可以作为电极设置在芯片的外壳上。

9、可以是半导体开关芯片提供双极晶体管，特别是n沟道双极晶体管，例如igbt。在这种情况下，正端子是集电极，负端子是发射极，且控制端子是基极。

10、也可以是半导体开关芯片提供场效应晶体管，例如，mosfet。在这种情况下，正端子是漏极，负端子是源极，控制端子是栅极。

11、作为进一步示例，半导体开关芯片提供晶闸管。在这种情况下，正端子是阳极，负端子是阴极，控制端子是栅极。

12、半导体开关芯片可以基于宽带隙半导体，和/或对应裸片可由宽带隙材料制成。例如，半导体开关芯片基于gan(氮化镓)或sic(碳化硅)。这样的半导体开关芯片允许更高的切换频率和/或更高的操作电压。然而，也可能的是，半导体开关芯片只基于硅。

13、功率半导体模块包括二极管芯片，二极管芯片在阳极侧上具有阳极，在与阳极侧相反的阴极侧上具有阴极，适于阻断从阴极到阳极的电流。在二极管的情况下，阳极可以用正侧标识，阴极可以用负侧标识。

14、二极管芯片可以基于宽带隙半导体和/或对应裸片可以由宽带隙材料诸如上文提到的材料制成。特别地，二极管芯片包括氧化镓二极管。氧化镓(例如，β-ga2o3)二极管具有低损耗，比硅二极管更适合处理高频。二极管可以是肖特基势垒二极管。

15、功率半导体模块包括散热器，散热器与半导体开关芯片和二极管芯片相反地连接到主衬底。散热器可以被敷接或以其它方式附接到与半导体开关芯片和二极管芯片被敷接到的金属化层相反的主衬底的金属化层。例如，散热器可以是空气冷却的散热器或液体冷却的散热器。

16、根据本发明的实施例，功率半导体模块包括辅助衬底，辅助衬底包括至少一个金属化层，所述金属化层被划分为第三区域和第四区域。半导体开关芯片和二极管芯片可以被布置在主衬底与辅助衬底之间。辅助衬底可以是直接敷接铜衬底或印刷电路板。在印刷电路板的情况下，辅助衬底可以具有被塑料层分离的一个或两个金属化层。

17、半导体开关芯片通过正端子侧敷接到主衬底的金属化层的第一区域，并且通过负端子侧敷接到辅助衬底的金属化层的第三区域。二极管芯片通过阳极侧敷接到主衬底的金属化层的第二区域，并且通过阴极侧敷接到辅助衬底的金属化层的第四区域。第一区域电连接到第四区域，第二区域电连接到第三区域。以这种方式，半导体开关芯片和二极管芯片以相同的传导方向安装到模块中，但彼此反并联和/或以反向传导方向电连接。在这里和下文中，敷接可以指用于电和机械地连接两个金属元件的过程，诸如钎焊、焊接和烧结。

18、这种布置具有的优点在于，二极管芯片的阳极侧比阴极侧更好地冷却。特别是对于氧化镓二极管和其它宽带隙材料，热传导比硅差多达1/10的因子，并且二极管内部的大部分加热发生在阳极层和/或阳极侧附近。二极管芯片中的加热层到阳极侧的距离可以为大约2u至10u，而到阴极侧的距离可以为大约70u至500u。所以对阳极侧冷却产生更有效的热传递。

19、根据本发明的实施例，辅助衬底包括隔离层和第二金属化层，第二金属化层与半导体开关芯片和二极管芯片敷接到的金属化层相反。第三区域和第二区域电连接到第二金属化层。辅助衬底的导电背侧可以用于将两个芯片电互连。

20、根据本发明的实施例，辅助衬底的第三区域通过穿过隔离层的导通孔连接到第二金属化层。导通孔可以是穿过金属化层之间的隔离层到达的导电元件。特别地，在印刷电路板的情况下，这样的导通孔可以容易地制成。

21、根据本发明的实施例，主衬底的第二区域通过导电柱连接到辅助衬底的第二金属化层，导电柱敷接到主衬底的第二区域和辅助衬底的第二金属化层。这样的柱可以由印刷电路板形式的辅助衬底提供的一个或多个引脚来提供。

22、根据本发明的实施例，导电柱在辅助衬底的一侧处敷接到第二金属化层。以这样的方式，不必在辅助衬底中设置通孔。辅助衬底的金属化层的第四区域可以被结构化，使得在第四区域和辅助衬底的所述一侧之间的隔离部上形成间隙，导电柱被敷接在其中。

23、根据本发明的实施例，导电柱被布置在半导体开关芯片与二极管芯片之间。可以设置穿过辅助衬底的通孔，柱可以穿过通孔到达主衬底。导电柱穿过辅助衬底的隔离层突出。柱可以是由印刷电路板形式的辅助衬底提供的引脚。在半导体开关芯片与二极管芯片之间布置导电柱可以产生小的导体环路和较低的损耗。

24、根据本发明的实施例，从正交于主衬底和辅助衬底的方向观察，第一区域和第四区域彼此重叠。主衬底和辅助衬底中的每一个限定基本彼此平行的平面。观察方向基本正交于这些平面。第一区域和第四区域通过(第二)导电柱被电连接，该导电柱敷接到第一区域和第四区域。这样的柱可以是由印刷电路板形式的辅助衬底提供的引脚。

25、应理解，也关于该观察方向，第一和第三区域以及第二和第四区域也彼此重叠，使得芯片可以在它们之间敷接。

26、本发明的进一步方面涉及一种半桥模块，该半桥模块由第一和第二本文所述的功率半导体模块构成。这里的“构成”意思是半桥模块具有两部分，每一部分都被设计成如上文和下文所述的功率半导体模块。

27、半桥模块中的芯片互连以形成半桥，即，串联连接的两个半导体开关芯片和反并联连接到每个半导体开关芯片的续流二极管芯片。

28、第一功率半导体模块的主衬底和第二功率半导体模块的主衬底由半桥模块的主衬底提供。半桥模块的主衬底可以包括用于两个功率半导体模块的公共隔离层。第一功率半导体模块的第二区域和第二功率半导体模块的第一区域由半桥模块的ac区域提供。第一功率半导体模块的第一区域为半桥模块的dc+区域。第二功率半导体模块的第二区域是半桥模块的dc-区域。

29、可能的是，半桥模块具有两个辅助衬底，每个功率半导体模块一个辅助衬底。还可能的是，第一功率半导体模块的第一辅助衬底和第二功率半导体模块的第二辅助衬底由半桥模块的辅助衬底提供，半桥模块的辅助衬底具有用于两个功率半导体模块的公共隔离层。