专利名称：半导体模块及其制造方法
技术领域：
本发明涉及组装半导体模块，更具体地说，涉及组装具有不同热膨胀系数的部件的半导体模块。
背景技术：
能量半导体模块通常包括底板，该底板预弯曲以在一个或多个基板接合至底板以后具有凸起形状。在将底板的相对侧安装至散热器以后，该凸起形状提供更好的热阻抗。热界面材料设置在所述基板与底板之间，并且在凸起形状的底板的情形中成为较薄的层。在用沿着底板的边缘布置的螺钉进行安装的过程中，底板的边缘处向下弯曲以便大约与散热器平齐。底板的弯曲导致基板和安装在基板上的半导体芯片(semiconductor die)的弯曲。取决于接合工艺的种类和使用的条件，底板与基板之间的接合层可以与凸起或者 凹入状的底板共面。因此，在接合至底板以后基板不是必须地具有平坦的形状。在任何情形中，在热负荷下底板的弯曲和基板的相关弯曲均可以导致在陶瓷基板中扩散的裂缝。从热负荷中产生另一种应力。由于基板与底板之间的热膨胀失配(mismatch，不匹配)，整个模块均趋向于在热负荷下变得更加凸起。因为底板固定地平坦夹持在散热器上，所以该底板在热负荷下不能弯曲。因此基板内部(特别地基板的陶瓷材料中)的应力在加热过程中更进一步升高，致使其它裂缝和损坏。由于热膨胀失配而产生另一个问题。设置在底板与基板之间的热界面材料趋于是膏状的。由于在加热过程中整个模块系统的变形是复杂的，因此加热和冷却可能导致热界面材料从基板与底板之间泵出。随着更多的热界面材料被泵出，底板与基板之间的界面的热阻增加，使得模块的整体热性能降低。
发明内容
本发明提供了安装装置，其限制施加至半导体模块的底板的力，允许底板具有用于良好热阻抗的凸起形状，但是限制安装过程中的弯曲。在用于将底板安装至散热器的螺钉或者夹具处达到最大力的情形中，底板的边缘可以提升(lift)得远离散热器例如约10 i! m或数100 u m。压力还停留在底板的内部区域处，在那里装配装置，即具有半导体芯片的基板。当整个底板不再是在散热器上保持平坦时，热界面材料从内部模块区域泵出的效果减小。这里描述的实施方式限制了底板的安装点处的力，限制了安装过程中底板的弯曲，限制了加热产生的应力，为整个模块系统提供了应力解除并且提供了底板的预弯曲。根据半导体模块的一个实施方式，所述模块包括底板，其具有毗邻边缘区域的内部区域；基板，附接至所述底板的内部区域；以及散热器，底板安装在该散热器上，以使得底板介于基板与散热器之间并且底板的内部区域的至少一部分与散热器接触。该模块还包括应力解除机构，所述应力解除机构被构造为允许底板响应于热负荷在边缘区域弯曲得远离散热器，使得底板的内部区域的至少一部分保持与散热器接触。根据制造半导体模块的方法的一个实施方式，该方法包括提供具有毗邻边缘区域的内部区域的底板；将基板附接至所述底板的内部区域；将所述底板安装在一散热器上以使底板介于所述基板与所述散热器之间，并且所述底板的内部区域的至少一部分与所述散热器接触；以及提供构造为允许底板响应于热负荷在边缘区域中弯曲得远离散热器的应力解除机构，使得底板的内部区域的至少一部分保持与散热器接触。在阅读以下的详细描述且观看附图时本领域的技术人员将会认识到其它的特征和优点。
附图的元件不必相对于彼此按照比例绘制。相同的附图标记表示相应的类似部件。各个所示实施例的特征可以结合在一起，除非它们相互排斥。实施例在附图中示出并且在随后的描述中详细描述。 图I和图2示出了制造半导体模块的方法的实施例；图3A和图3B示出了制造半导体模块的方法的另一个实施例；图4A至图4C示出了制造半导体模块的方法的又一个实施例；图5示出了半导体模块的又一个实施例；图6不出了半导体模块的再一个实施例。
具体实施例方式图I和图2示出了制造半导体模块的方法的实施例。在图I中，提供了热导性底板100，其具有毗邻边缘区域104的内部区域102。底板100具有初始凸起形状，因为底板100是向外弯曲或者倒圆的，S卩，边缘区域104比内部区域102进一步地向外弯曲。利用例如诸如焊料等的任何传统基板附接材料112将基板110附接至底板100的内部区域102。一个或多个半导体芯片120附接至基板110的顶表面114，使得基板110介于芯片120与底板100之间。可以利用诸如焊料、扩散焊料、熔结银，熔结铜等将芯片120附接至基板110。基板例如可以是DCB基板(DCB=直接铜熔结)或DAB基板(DAB=直接铝熔结)或AMB基板(AMB=活性金属钎焊),其中，陶瓷材料介于顶部涂敷金属(metallization)与底部涂敷金属之间，并且底部涂敷金属被焊接、钎焊等至底板100的内部区域102。在每种情形中，在基板安装以后底板100均保持其凸起形状。如此，用于将基板110的底部116附接至底板100的材料112具有如图I中示出的椭圆形状。通常，底板100的形状可能更为复杂，但是整体形状可被描述为凸起或椭圆的。图2示出了安装在散热器130上的过程中带有基板110的底板100。底板100安装在散热器130上以使底板100介于基板110与散热器130之间，并且底板100的内部区域102的至少一部分与散热器130接触。在安装过程期间底板100的边缘区域104从其初始位置朝向散热器130向下弯曲。在一个实施例中，整个底板100都抵靠散热器130平坦地安装，在装配基板110以后由于复杂的热机械应力而具有与平坦的一些偏离。在一个替换实施例中，在散热器安装过程中施加更少的力使得底板100保持凸起的形状(尽管与初始提供的相比没那么显著)，其中底板100的内部区域102压在散热器130上且边缘区域104与散热器130相隔开。在任一种情形中，与其初始形状相比底板100均具有改变的形状。提供一种应力解除机构，所述应力解除机构允许底板100响应于施加至模块的热负荷在边缘区域104中弯曲得远离散热器130并且返回其初始形状，使得在热负荷过程中底板100的内部区域102的至少一部分保持与散热器130接触。这样，由于底板弯曲提供的应力经由应力解除机构得以解除，因此更少的应力被施加在基板110上。此外，由于不管热负荷条件如何内部区域102均保持与散热器130接触，因此底板100与散热器130之间的热界面材料150不会沿着底板100的内部区域102被泵出。在一个实施例中，使用经由底板100中的开口 106插入到散热器130中的紧固件160 (诸如螺钉或螺栓)而将底板100安装至散热器130。根据本实施例，应力解除机构可以是介于底板100与紧固件160的头部162之间的弹簧垫圈140，例如如图2中所示的。当在热负荷下由底板100施加的力超过一定阈值时弹簧垫圈140压缩，并且当热负荷减小或者下降时松弛，如通过具有端部箭头的虚线指示的。通过以这种方式压缩，弹簧垫圈140允许底板100在边缘区域中弯曲同时确保在热负荷过程中底板的内部区域的至少一部分保持与散热器接触。如图2中所示的，可以在弹簧垫圈的底部与底板之间设置额外的垫圈164。
可以设置间隔件以便在安装以后在底板100的边缘区域104与散热器130之间保持间隙。根据一个实施例，例如如图2中所示的，间隔件是中空圆柱体170。在装配过程中空圆柱体170被插入到底板100中形成的开口 106中并且容纳紧固件160。通过限定紧固件能够朝向散热器130移动的深度，中空圆柱体170的高度(Hs)被选择为防止散热器安装以后底板100的边缘区域104接触散热器130。如此，根据该实施例，底板100保持凸起形状(尽管没有初始提供的那么显著)，边缘区域104弯曲得远离散热器130。图3A示出了在散热器安装之前的底板100的边缘区域104的一部分中的半导体模块。根据该实施例，中空圆柱体170压配合到形成在底板100中的开口 106中。压配合是已知的金属到金属的连接技术，其中物体的接触面200被用力适配到一起。中空圆柱体170以这种方式压配合到底板100中，即，使得中空圆柱体170的底端172不延伸至底板100的底侧102，致使在中空圆柱体170的底端172与底板100的底侧102之间形成间隙G1。压配合连接还致使介于中空圆柱体170的头部174与底板100之间的弹簧垫圈或者其它弹性物体210被压缩至点Cl。图3B示出了在经由紧固件160 (诸如螺栓或螺钉)而安装散热器以后图3A的半导体模块。紧固件160被插入通过中空圆柱体170并且被散热器130接收。如果中空圆柱体170通过紧固件160被进一步压配合到底板100中，则在散热器安装过程中中空圆柱体170的底端172与底板100的底面102之间的间隙Gl可以闭合，如图3B中所示。替换地，中空圆柱体170与底板100之间的压配合连接可以经受由紧固件160施加的力，并且在安装散热器以后可以保有间隙G1。在任一种情形中，将紧固件160固定至散热器130均致使弹簧垫圈或者其它弹性物体210进一步压缩至点C2，这导致安装力施加到底板100上。该安装力致使底板100向下弯曲一定量。在散热器安装以后，底板100的底面102与散热器130之间仍可以保有间隙G2，如图3B中所示出的。间隙G2是由凸起形状的底板100的平衡力(counter force)造成的。间隙G2的量由来自弹簧垫圈或者其它弹性物体210的压力与底板100的弯曲力之间的平衡来确定。当在使用过程中模块和散热器130相继地变热时，间隙G2增加。在这种热负荷下，弹簧垫圈或者其它弹性物体210进一步压缩得超过如上所述的点C2，并且随后地当热负荷减小或者降低时放松，允许在热负荷下底板100在边缘区域104处弯曲得远离散热器130并且当热负荷减小或者降低时至少部分地返回至其初始形状。图4A示出了在安装散热器以前边缘区域104的一部分中的半导体模块的另一个实施例。设置紧固件160 (诸如螺栓或螺钉)以通过底板100中的开口 106将底板100固定至散热器130。紧固件160具有头部162、下部较窄部分166以及介于头部162与下部166之间的上部较宽部分168。紧固件160的上部较宽直径部分168用作距离保持件并且确保在底板100的底侧102与紧固件160的较宽直径部分168的底部169之间存在间隙G3。图4B示出了根据一个实施例在中空圆柱体170接合至底板100以后的图4A的半导体模块。能够利用任何适合的传统技术将中空圆柱体170接合至底板100。例如，如本文前面所说明的，中空圆柱体170可以具有与底板100的压配合连接。替换地，如图4B中所示的，可以使用激光焊将中空圆柱体170接合至底板100。在各情形中，将应力解除机构 设置为弹性物体220 (诸如与紧固件160的头部162接触且介于中空圆柱体170与紧固件160的头部162之间的弹簧垫圈)。在一个实施例中，弹性物体220是中空圆柱体170的整体部分。在另一个实施例中，弹性物体220是在装配过程中定位在中空圆柱体170上的单独部分。在任一情形中，弹性物体220均在热负荷下压缩并且当热负荷减小或者降低时放松，以允许底板100在热负荷下在边缘区域104处弯曲得远离散热器130。在图4A和图4B中，示出了弹性物体220在散热器安装以前处于未压缩状态C3。图4C示出了在散热器安装以后的图4A的半导体模块。在图4A中示出的间隙G3致使在散热器安装过程期间弹性物体220被压缩至点C4，因此致使压力施加至底板100上。该压力又迫使底板100朝向散热器130向下弯曲。底板100的底侧102与散热器130之间的间隙G4是由凸起形状的底板100的平衡力造成的。间隙G4的量由来自弹性物体220的压力与底板100的弯曲力之间的平衡来确定。在使用过程中当弹性物体220进一步压缩超过点C4时，间隙G4随着底板100的温度升高而增加。图5示出了在散热器130与底板100的边缘区域104之间的界面的一部分中的半导体模块的另一个实施例。使用夹具230将底板100抵靠散热器130保持在位置处。夹具230包括基部232和刚性臂234，所述刚性臂从基部232在底板100的边缘区域104上方横向向外延伸。如图5中所示，夹具基部232的尺寸被制成为使得在紧固件160被用于将夹具230固定至散热器130以后底板100的边缘区域104与散热器130间隔开。夹具230的臂234是刚性的，其中臂234不响应于施加的力而移动。如在本文中先前描述的，为了允许底板100在热负荷下在边缘区域104中弯曲，应力解除机构被设置为介于底板100与夹具230的刚性臂234之间的弹性物体240。如通过带有端部箭头的虚线所指示的，弹性物体240在热负荷下压缩并且当热负荷减小或者降低时放松，允许在热负荷下底板100在边缘区域104处弯曲得远离散热器130。图6示出了在散热器130与底板100的边缘区域104之间的界面的一区域中的半导体模块的另一个实施例。使用夹具250将底板100抵靠散热器130保持在位置处。夹具250包括基部252和柔性臂254，所述柔性臂从基部252在底板100的边缘区域104上方横向向外延伸。如图6中所示的，夹具基部252的尺寸被制成为使得在紧固件160被用于将夹具250固定至散热器130以后底板100的边缘区域104与散热器130间隔开。根据该实施例，应力解除机构是夹具250的柔性臂254。夹具250的臂254是柔性的，其中在热负荷下响应于由底板100施加的相应力，臂254向上移动，并且在所施加的力下降以后返回到其放松位置，允许底板100在热负荷下在边缘区域104处弯曲得远离散热器130，如通过具有端部箭头的虚线所指示的。对于具有陶瓷材料的基板来说，本文中描述的应力解除机构将热负荷下施加至基板的作用力限制得低于陶瓷材料的最大抗弯强度(bending strength)，例如低于陶瓷的最大抗弯强度的一半。这样，避免了或者至少显著地减小了对基板的损害。通常，以陶瓷为基础的基板的抗弯强度在200至500MPa的范围内，并且对于高性能陶瓷来说高达lOOOMPa。在本文中描述的一些实施例中，通过经由底板中的开口插入的紧固件将底板安装至散热器。根据这些实施例，应力解除机构将经由紧固件施加至底板的力限制为小于2000N，例如小于1000N，例如小于500N。应力解除机构可以允许底板响应于热负荷在边缘区域中弯曲得远离散热器至少10 U m。在一个实施例中，应力解除机构允许底板响应于热负荷在边缘区域中弯曲得远 离散热器至少100 U m。不止一个基板可被附接至底板的内部区域。此外，底板可以具有任何期望的形状，例如诸如四方形、长方形、U形等。空间相对术语诸如“下方”、“以下”、“上方”、“以下”等，是为了便于描述以解释一个元件相对于第二个元件的定位。除了与附图中所示的那些不同的定位以外，这些术语还意在涵盖该装置的其他不同定位。此外，诸如“第一”、“第二”等术语也用于描述各种元件、区域、部分等并且也不旨在限定。在整个描述中相同的术语表示相同的元件。如本文中所使用的，术语“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是开放性术语，其指示所述元件或特征的存在，但是不排除附加的元件或特征。除非文中清楚地另有指明，冠词“一个(a、an)”和“该(the)”意在包括复数形式与单数形式。应该理解的是，除非另外具体地指明，本文中描述的多个实施例的特征均可以相
互结合。尽管本文中已经示出并且描述了具体的实施例，但本领域中的普通技术人员应该理解的是，在不偏离本发明范围的情况下，多种替换和/或等同实施方式可以取代所示出与描述的具体实施例。本申请旨在覆盖本文中所述的具体实施例的任何更改或变型。因此，本发明仅旨在由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种半导体模块，包括 底板，所述底板具有毗邻边缘区域的内部区域； 基板，所述基板附接至所述底板的所述内部区域； 散热器，所述底板安装在所述散热器上以使所述底板介于所述基板与所述散热器之间并且所述底板的所述内部区域的至少一部分接触所述散热器； 以及应力解除机构，所述应力解除机构被构造为允许所述底板响应于热负荷在所述边缘区域中弯曲得远离所述散热器，以使所述底板的内部区域的至少一部分保持与所述散热器接触。
2.根据权利要求I所述的半导体模块，其中，所述应力解除机构包括介于所述底板与紧固件的头部之间的弹簧垫圈，所述紧固件通过所述底板中的开口将所述底板附接至所述散热器。
3.根据权利要求2所述的半导体模块，其中，所述紧固件通过压配合在所述底板中的开口中的中空圆柱体固定至所述散热器，使得在所述底板的所述边缘区域与所述散热器之间提供间隙。
4.根据权利要求I所述的半导体模块，其中，所述应力解除机构包括与紧固件的头部相接触的弹性物体，所述紧固件通过所述底板中的开口将所述底板附接至所述散热器。
5.根据权利要求I所述的半导体模块，其中，所述应力解除机构包括介于所述底板与夹具之间的弹性物体，所述夹具将所述底板抵靠所述散热器保持在位置处。
6.根据权利要求5所述的半导体模块，其中，所述夹具包括附接至基部的刚性臂，所述夹具的所述基部的尺寸被制成为使得所述底板的所述边缘区域与所述散热器隔开并且所述弹性物体介于所述底板的所述边缘区域与所述刚性臂之间。
7.根据权利要求I所述的半导体模块，还包括间隔件，所述间隔件在所述底板的所述边缘区域与所述散热器之间保持一间隙。
8.根据权利要求7所述的半导体模块，其中，所述间隔件包括插入到所述底板中的开口中的中空圆柱体并且其防止所述底板的所述边缘区域接触所述散热器。
9.根据权利要求8所述的半导体模块，其中，所述应力解除机构介于所述中空圆柱体与紧固件的头部之间，所述紧固件通过所述中空圆柱体插入到所述散热器上。
10.根据权利要求I所述的半导体模块，其中，所述应力解除机构包括附接至夹具的基部的柔性臂，所述柔性臂从所述基部向外延伸并且与所述底板的所述边缘区域相接触，并且其中，所述夹具的所述基部的尺寸被制成为使得所述底板的所述边缘区域与所述散热器间隔开。
11.根据权利要求I所述的半导体模块，其中，所述底板经由插入通过所述底板中的开口的紧固件安装至所述散热器，并且所述应力解除机构被构造为将由所述紧固件施加至所述底板的力限制为小于2000N。
12.根据权利要求I所述的半导体模块，其中，所述应力解除机构被构造为将所述热负荷下施加至所述基板的力限制为低于所述基板的最大抗弯强度。
13.根据权利要求I所述的半导体模块，其中，所述应力解除机构被构造为允许所述底板响应于所述热负荷在所述边缘区域中弯曲得远离所述散热器至少10 u m。
14.根据权利要求I所述的半导体模块，其中，所述应力解除机构被构造为允许所述底板响应于所述热负荷在所述边缘区域中弯曲得远离所述散热器至少100 u m。
15.一种制造半导体模块的方法，包括 提供底板，所述底板具有毗邻边缘区域的内部区域； 将基板附接至所述底板的所述内部区域； 将所述底板安装至一散热器上，以使所述底板介于所述基板与所述散热器之间，并且所述底板的所述内部区域的至少一部分接触所述散热器；以及 提供应力解除机构，所述应力解除机构被构造为允许所述底板响应于热负荷在所述边缘区域中弯曲得远离所述散热器，以使所述底板的所述内部区域的至少一部分保持与所述散热器接触。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，通过在所述底板与紧固件的头部之间插入弹簧垫圈并且将所述紧固件插入通过所述底板中的开口以将所述底板附接至所述散热器而提供所述应力解除机构。
17.根据权利要求16所述的方法，包括 将中空圆柱体压配合到所述底板中的开口中；以及 通过所述中空圆柱体将所述紧固件固定至所述散热器，使得在所述底板的所述边缘区域与所述散热器之间提供有间隙。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，通过使弹性物体与紧固件的头部接触并且将所述紧固件插入通过所述底板中的开口以将所述底板附接至所述散热器而提供所述应力解除机构。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，通过将弹性物体插入在所述底板之间并且固定所述夹具以将所述底板抵靠所述散热器保持在位置处而提供所述应力解除机构。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述夹具包括附接至基部的刚性臂，所述夹具的所述基部的尺寸被制成为使得所述底板的所述边缘区域与所述散热器隔开并且所述弹性物体介于所述底板的所述边缘区域与所述刚性臂之间。
21.根据权利要求15所述的方法，还包括提供间隔件，所述间隔件在所述底板的所述边缘区域与所述散热器之间保持间隙。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，通过将中空圆柱体插入所述底板中的开口中而提供所述间隔件，其防止所述底板的所述边缘区域接触所述散热器。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述应力解除机构介于所述中空圆柱体与紧固件的头部之间，所述紧固件通过所述中空圆柱体插入到所述散热器上。
24.根据权利要求15所述的方法，其中，通过将夹具固定至所述散热器而提供所述应力解除机构，所述夹具包括从基部向外延伸且与所述底板的所述边缘区域相接触的柔性臂，并且其中所述夹具的所述基部的尺寸被制成为使得所述底板的所述边缘区域与所述散热器相隔开。
全文摘要
本发明提供了一种半导体模块及其制造方法，该半导体模块包括底板，具有毗邻边缘区域的内部区域；附接至底板的内部区域的基板；以及散热器，底板安装在该散热器上，使得底板介于基板与散热器之间并且底板的内部区域的至少一部分与散热器接触。该模块还具有应力解除机构，所述应力解除机构被构造为允许底板响应于热负荷在边缘区域中弯曲得远离散热器，使得底板的内部区域的至少一部分保持与散热器接触。
文档编号H01L23/00GK102969283SQ201210320908
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月31日 优先权日2011年9月1日
发明者赖因霍尔德·巴耶尔埃尔, 乔治·博尔格霍夫 申请人:英飞凌科技股份有限公司