接触元件、功率半导体模块及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于具有电路载板和至少一个功率半导体元件的功率半导体模块的接触元件。特别地，本发明涉及具有用于接触外部电子部件的改进接触元件的功率半导体模块。本发明还涉及一种制造该功率半导体模块的方法。
【背景技术】
[0002]功率半导体已经广泛地用于汽车电子、能量管理和工业电动机以及自动化技术。通常，这些功率半导体一起集成在功率半导体模块中，该模块根据特定应用需求而设计。诸如汽车、风力、太阳能和标准工业驱动的高功率应用需要满足高可靠性以及热、机械和电气耐用性需求的功率模块。例如，这些功率模块可以形成功率转换电路，诸如AC/DC转换器或DC/DC转换器。
[0003]因为诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOSFETs或二极管的功率半导体会产生至少暂时的高温，所以必须对功率半导体模块进行有效的热管理。用于实现快速散热的有希望的方案是使用直接敷铜(DCB)电路载板、直接敷铝衬底、或绝缘的金属衬底(IMS)，其承载了表面安装技术中的功率半导体芯片。通常，功率半导体芯片与具有结构化的铜或铝层在载板上电连接。在顶侧(与邻接电路载板表面相对的表面)上，芯片借助于线或带键合而电连接至芯片载板上的金属引线图案。特别地，带键合的使用具有高电流承载能力的优点。电路载板包括例如由氧化铝或氮化铝形成的电绝缘层。
[0004]为了在芯片与衬底之间形成可靠的和坚固的电以及机械和热接触，越来越多地用银烧结工艺替代焊接来连接芯片的金属化背面与电路载板表面。为了产生烧结的芯片/衬底连接，在两个接合部分之间设置特殊的银颗粒层，并且，通过在给定的时间对结合部施加给定的温度和压力，以产生稳定的烧结连接。由芯片与衬底之间的烧结层获得的接触强度极高，并且该烧结层显示出高负载循环能力，并且与通过焊接技术获得的精度相比，烧结技术改进了芯片相对于衬底的位置精度。由于烧结层通常远薄于通用焊接层，因而烧结层的热导率也高得多。这导致了烧结连接中的优良热特性。此外，因为烧结连接所用的银的熔点约为当今普遍使用的无铅焊料的熔点的四倍，所以烧结层还表现出比焊接层高得多的循环能力。
[0005]除了电路载板与功率半导体之间的顶侧连接之外，功率半导体模块还需要电连接至诸如印刷电路板的外部电子部件。这些所谓输入/输出(I/o)接触通常借助于焊接柱或弹簧接触形成，例如DE 10 2004 057421B4和DE 100 08572 B4中所示。然而，不仅提供弹簧接触导致机械组装复杂，而且，将接触元件焊接至电路载板的步骤导致组装过程更加复杂。特别是，焊接步骤总是需要另外的清洁和清洗步骤，这是耗时并且昂贵的。此外，当在引线键合或带键合连接之前进行组装接触柱时，存在接触柱阻碍键合机运作的问题。
【发明内容】
[0006]本发明针对的问题是提供一种节约成本的方式来制造接触元件以及具有高可靠性和高电流承载能力的功率半导体模块。
[0007]为实现上述目的，本发明提供一种用于将功率半导体模块电连接至外部电子部件的接触元件，所述功率半导体模块包括具有至少一个导电引线的电路载板，以及至少一个半导体元件，其中，所述接触元件包括烧结接触部件和至少一个接触柱，所述烧结接触部件烧结至所述电路载板从而电连接至所述导电引线，所述接触柱用于接触所述外部电子部件，并且，所述接触柱借助于压配合和/或形状配合连接而连接至所述烧结接触部件。
[0008]本发明还提供一种功率半导体模块，其包括:电路载板，具有至少一个导电引线；至少一个半导体元件；以及，至少一个本发明的接触元件，用于将所述功率半导体模块电连接至外部电子部件。
[0009]本发明还提供一种用于制造功率半导体模块的方法，其包括以下步骤:提供电路载板；将至少一个半导体元件和至少一个可烧结接触部件放置至所述电路载板上；执行烧结步骤，以同时将所述至少一个半导体元件和所述至少一个可烧结接触部件与所述电路载板连接起来；在所述至少一个半导体元件与所述电路载板之间形成顶侧连接；以及，借助于压配合和/或形状配合连接，将接触柱与所述烧结接触部件接合，由此形成用于接触外部电子部件的接触兀件。
[0010]本发明是基于由烧结接触部件和分立的接触柱形成接触元件的理念。烧结接触部件可以形成为平坦的、例如环形的插座元件，或者形成为配装入位于接触柱上的插座中的突起。根据本发明的烧结接触部件烧结至电路载板，并且，仅在已经形成引线键合和/或带键合连接之后，使稍后将提供与外部电子部件的电连接接触柱连接至该烧结接触部件。借助于压配合或形状配合连接而不是焊接来形成烧结接触部件与接触柱之间的连接。
[0011]首先，该连接技术的优点在于:借助于可以与在电路载板上固定芯片的烧结步骤同时执行的烧结步骤，能够建立电路载板和烧结接触部件之间稳定的机械和电连接。烧结接触部件也可以放置在芯片表面上，并且可以在芯片与烧结接触部件之间建立烧结连接。由于烧结接触部件是平坦的，其并未阻碍键合机的路径。特别是，烧结接触部件沿轴线以及纵向方向基本上是无回弹的。由此，易于施加压力以建立烧结连接。
[0012]本发明的另一优点在于:可以采用标准模片键合或SMT (表面安装技术)组装机器来进行烧结接触部件的组装。此外，接触柱可以与商业可获得的机器相连。因此，无需特别设计的组装设备。
[0013]例如，在键合连接已连接之后，用于建立与印刷电路板的连接的接触柱可以插入形成烧结接触部件的插座元件。根据本发明，可以提供压配合连接或者螺纹配合连接。压配合连接可以以更简易方式制造，而螺纹配合连接可以在两个部件之间采用较少的机械压力组装。
[0014]此外，螺纹配合连接也可以由设置在接触柱处的自攻螺纹形成。
[0015]对于压配合的情形，接触柱设置有至少在一个方向上比插座元件的内截面更大的截面。特别是，接触柱可以具有圆形、椭圆或多边形形状的截面。此外，任何其它合适的突起可以设置在接触柱的表面用于与插座元件的内表面接合。合适的突起也可以设置在插座元件的内表面。
[0016]备选地，烧结接触部件也可以形成为烧结突起，而接触柱设置有经由压配合或形状配合连接或两者而连接至突起的插座元件。特别是，关于插座元件和接触柱的安装的所有理念也可以类推地应用于插座设置在接触柱上以及烧结接触部件是烧结突起的情形。
[0017]使用烧结突起替代烧结插座的优点在于:利用烧结工艺处理能够采用更简单的几何部件。优选地，插座元件和接触柱可以以整体件的接触柱的形式形成，例如利用本领域已知的冲压或机加工工艺。
[0018]为了允许在环形插座元件或烧结突起与电路载板之间的烧结连接，采用诸如银或银合金的可烧结材料涂覆电路载板表面或者插座元件。烧结膏体应该与施加的材料类型相配-如当今的Ag、Au和Cu工作表面烧结膏体。然而，根据本发明的理念可以与可应用的所有可烧结材料一起使用。当然，两个部件均也可以采用各自烧结材料涂覆。
[0019]用于制造根据本发明的功率半导体模块的方法包括以下步骤:
[0020]提供电路载板；
[0021]将至少一个半导体元件和至少一个可烧结接触部件放置至所述电路载板上；
[0022]执行烧结步骤，以同时将所述至少一个半导体元件和所述至少一个可烧结接触部件与所述电路载板连接起来；
[0023]在所述至少一个半导体元件与所述电路载板之间形成顶侧连接，并且将接触柱与所述烧结接触部件接合，由此形成用于接触外部电子部件的接触元件。
[0024]通过上述步骤的该特定工序，可以克服现有技术方案具有的上述问题，并且可以建立与外部电子部件的特别稳定和简单的连接。
【附图说明】
[0025]附图包含在说明书中并且形成说明书的一部分以示出本发明的多个实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅是用于示出可以如何制造和使用本发明的优选和备选示例，并且不应当解释为仅将本发明限定至所示和所述的实施例。此外，实施例的多个特