功率半导体模块及其制造方法与流程

本发明涉及功率模块，且尤其涉及可直接粘合电子装置和引线的功率模块及其制造方法。

背景技术：

近来，研发环保型车辆的竞争已经发起对改善功率模块性能的研究和研发，所述功率模块是环保型车辆的一个核心部分。具体地，生成大量热的功率半导体模块的冷却效率的改善和/或其中的体积的减少对于提高用于环保型车辆的逆变器的性能是必要的。因此，已经提出用于使用用于功率模块的独特的冷却方案提高散热效率的方法。

例如，对于双面功率模块，从芯片上部生成的热穿过由诸如铜Cu和铜钼CuMo的金属材料制成的电极传递到上金属衬底且因此发出热量。换句话说，半导体装置上的上金属衬底使用金属或镀有金属的电极(或垫片)电力/热粘合。电极不足以作为散热材料，从而引起热阻增加。进一步，不充分散热可引起高温操作的可靠性的微裂。具体地，电极是降低热导性和/或电导性的因数。

该部分中公开的上述信息仅为了提高对本发明的背景技术的理解且因此其可包含不形成在该国对于本领域普通技术人员已经熟知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明提供带有在高温操作处高的可靠性，同时改善散热特征的功率半导体模块及其制造方法。在一方面，本发明的示例性实施例涉及具有热导性和/或电导性的功率半导体模块及其制造方法。在另一个示例性实施例中，功率半导体模块在体积上可通过移除金属电极(例如，垫片)来减少，及制造功率半导体模块方法。

在一方面，功率半导体模块可包括下衬底和可粘合到下衬底的表 面的第一电子装置。引线框可具有具有第一侧表面的引线框，所述第一侧表面通过第一粘合剂粘合到所述第一电子装置的表面，和可通过第一粘合剂粘合到引线框的第二侧表面的第二电子装置。上衬底可粘合到第二电子装置的表面。上衬底和下衬底可为传导性散热处理衬底，绝缘体可插入所述衬底中以放热。引线框可以上衬底和下衬底彼此邻近以提供散热路径的形式安置在上衬底和下衬底之间的中心处。

第一电子装置和第二电子装置可不同。第一电子装置和第二电子装置可为功率半导体装置或极性半导体装置。功率半导体装置可为绝缘栅晶体管(IGBT)、双极，和功率金属氧化硅场效应晶体管(MOSFET)中的任何一种。极性半导体装置可为二极管。

引线框可具有上侧表面和邻近上侧表面的下侧表面，所述上侧表面装备有第二电子装置，所述下侧表面装备有第一电子装置以冷却多个侧面。引线框可被部分地折屈以粘合并固定到上衬底或下衬底的内侧表面。第一电子装置和第二电子装置可彼此配置在并联电路中。第一电子装置和下衬底可通过粘合剂彼此粘合，第二电子装置和上衬底可通过第二粘合剂彼此粘合，且第一粘合剂和第二粘合剂可为焊料。

本发明的另一个示例性实施例提供用于制造功率半导体模块的方法，其可包括制备下衬底和上衬底；将第一电子装置粘合到所述下衬底的表面，并将第二电子装置粘合到所述上衬底的表面；且通过第一粘合剂将引线框的第一侧表面粘合到所述第一电子装置的表面，并通过所述第一粘合剂将所述引线框的第二表面粘合到所述第二电子装置的一个侧表面。该装置的粘合可包括通过第二粘合剂将所述第一电子装置粘合到所述下衬底；且通过所述第二粘合剂将所述第二电子装置粘合到所述上衬底。

附图说明

结合附图，从下面的详细描述中将更充分地理解本发明的上述和其它目的，特征和优点，其中：

图1为根据本发明的示例性实施例的功率半导体模块的示例性概念横截面视图；

图2为根据本发明的示例性实施例示出图1所示的功率半导体中 的引线框组装有下衬底的示例性透视图；

图3根据本发明的示例性实施例示出英语制造功率半导体模块的方法的示例性流程图；

图4A为根据本发明的示例性实施例示出图3所述的上衬底或下衬底的结构的示例性横截面视图；

图4B为根据本发明的示例性实施例示出形成粘合层以用于粘合电子装置到图4A所示的上衬底或下衬底的概念的示例性横截面视图；

图4C为根据本发明的示例性实施例示出粘合电子装置到粘合层的过程的示例性横截面视图；

图4D为根据本发明的示例性实施例示出粘合到图4C所示的电子装置的上端表面的粘合层的过程的示例性横截面视图；

图4E为根据本发明的示例性实施例示出粘合引线框到图4D所示的粘合层的概念的示例性横截面视图。

具体实施方式

以下将参照附图详细描述本发明的示例性实施例致使本领域技术人员可很容易实施本发明。然而，本发明可以各种不同的方式修改且不限于本描述中提供的示例性实施例。在附图中，与本描述无关的部分将省略以便明显地描述本发明，且在本说明书中类似的标识号将用于描述类似的部分。

在附图中，为了清楚起见，层和区域的厚度被夸大。在本说明书中相似的标识号指定相似的元件。应该理解，当诸如层、薄膜、区域，或衬底的元件称在另一个元件上，其可在另一个元件正上方或也可存在中间元件。

这里所用的术语仅为了描述特定实施例的目的且不旨在限制本发明。除非上下文另外清楚地规定，如这里所用的单数形式“一种/个(a/an)”、以及“该”也旨在包括复数形式。应该进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”和/或“包含的”限定了所述特征、整数、步骤、操作、要素、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、要素、部件和/或其集合的存在或添加。如这里所用的术语“和/或”包括一个或更多关联所列项的任一和所有 组合。

相比之下，当元件称在另一个元件的正上方，不存在中间元件。进一步，在另一个元件上“整体”形成任何元件意为任何元件在另一个元件的整个表面(或前表面)上形成且任何元件不在边缘部分上形成。

应该理解，如这里所用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语通常包括机动车辆，如运动型多用途车(SUV)、公共车辆、卡车、各种商用车辆等客用车辆，以及各种小船、轮船等船只和飞机等等，且包括混合动力车辆，电动车辆，插电式混合动力电动车辆，氢动力车辆和其他代用燃料车辆(如源于石油之外的资源的燃料)。如这里所指的混合动力车辆是有两种或多种功率源的车辆，例如以汽油动力和电动力为功率源的车辆。

以下将参照附图详细描述根据本发明的示例性实施例的功率半导体模块及其制造方法。

图1为根据本发明的示例性实施例的功率半导体模块的示例性概念性横截面视图。参照图1，功率半导体模块100可包括下衬底120-1、可粘合到下衬底120-1的表面的第一电子装置140、上衬底120-2、可粘合到上衬底120-2的表面的第二电子装置160，以及可粘合到第一电子装置140和第二电子装置160的表面的引线框110，等等。

具体地，上衬底120-2和/或下衬底120-1可包括传导性散热处理衬底，绝缘体可插入所述衬底中以放热。上衬底120-2和下衬底120-1可包括绝缘层121以及下铜板121-1和上铜板121-2，所述两个铜板在陶瓷121的两个表面上用箔为铜衬底。换句话说，绝缘层121可由陶瓷材料制成，例如，具有约96％的氧化铝Al₂O₃的陶瓷材料。铜层的铜板121-1和121-2的厚度可设置为约300μm。

具体地，作为传导性散热衬底，定向铜粘合(DCB)衬底等可使用。DCB衬底具有良好的散热特征。进一步，下铜板121-1和上铜板121-2可由除铜之外的传导性铝等制成。引线框110可以彼此邻近的上衬底120-2和下衬底120-1的形式安置在实质中心处以形成散热路径。因此，路径可在上衬底120-2和下衬底120-1之间形成。路径可用作电极和/或散热路径。

具体地，引线框110的上端表面可通过粘合剂粘合到第二电子装置 160且其中的下端表面可粘合到第一电子装置140。换句话说，第一电子装置140和第二电子装置160可通过第一框粘合层151-1和第二框粘合层151-2粘合到引线框110。进一步，第一电子装置140和下衬底120-1可通过第一装置粘合层130-1彼此提前粘合。进一步，第二电子装置160和上衬底120-2可通过第二装置粘合层130-2彼此粘合。框粘合层151-1和151-2和/或装置粘合层130-1和130-2可使用相同的粘合剂或不同的粘合剂。粘合剂可为焊料且可为具有不同熔点的材料。

进一步，引线框110可部分折屈以粘合并固定到第一衬底120-1的内侧表面。进一步，如图1所示，引线框110可粘合到第一衬底120-1的内侧表面但可粘合并固定到第二衬底120-2的内侧表面。例如，第一电子装置140和第二电子装置160可包括不同的电子装置。换句话说，第一电子装置140和第二电子装置160设置在单一电极衬底上且可分别在上部和下部处设置，从而减少功率半导体模块100的大小。

参照图1，第一电子装置可为功率半导体装置且第二电子装置可为极性半导体装置。功率半导体装置可包括绝缘栅晶体管(IGBT)、双极，和功率金属氧化硅场效应晶体管(MOSFET)。具体地，功率MOSFET可执行高电压，高电流操作且可具有不同于一般的MOSFET的双扩散金属氧化物半导体(DMOS)结构。进一步，极性半导体装置可为二极管。二极管可包括稳压二极管、隧道二极管，肖特基二极管等。第一电子装置140和第二电子装置160可彼此配置在并联电路中，从而最小化功率半导体模块100的空间。换句话说，第一电子装置140和第二电子装置160可使用最小空间设置。进一步，第一电子装置140和/或第二电子装置160可具有芯片形状。

图2为根据示例性实施例示出图1所示的功率半导体中的引线框组装有下衬底的示例性透视图。图3为根据本发明的示例性实施例示出用于制造功率半导体模块的方法的示例性流程图。进一步，图4A为示出图3所示的上衬底120-2或下衬底120-1的结构的示例性横截面视图。图4B为示出形成粘合层130-1或130-2以用于粘合电子装置到图4A所示的上衬底120-2或下衬底120-1的示例性横截面视图。进一步，图4C为示出形成电子装置140或160到图4B所示的粘合层130-1或130-2的过程的示例性横截面视图。图4D为示出形成粘合层151-1或 151-2到图4C所示的电子装置140或160的上端表面的过程的示例性横截面视图。进一步，图4E为示出粘合引线框110到图4D所示的粘合层151-1或151-2的概念的示例性横截面视图。

参照图3以及图4A至图4E，在S310处可制备如4A所示的下衬底120-1和上衬底120-2。在S320处，第一装置粘合层130-1和第二装置粘合层130-2可各自在如图4B所示的下衬底120-1和上衬底120-2上形成。在S330处，第一电子装置140和第二电子装置160可粘合到如图4C所示的装置粘合层130-1和130-2。进一步，在S340处第一框粘合层151-1和第二框粘合层151-2可各自粘合到第一电子装置140和第二电子装置160的表面。最后，在S350处引线框110可粘合到第一框粘合层151-1和第二框粘合层151-2。

图4E代表性地示出引线框110可粘合到第一框粘合层151-1和第二框粘合层151-2。此外，引线框110可粘合到如图1所示的相邻(例如，对立)侧的粘合层。本发明的示例性实施例描述第一框粘合层151-1和第二框粘合层151-2可粘合到引线框110，然而，第一框粘合层151-1和第二框粘合层151-2可在时差处粘合到引线框110。进一步，其它过程可同时执行或可在不同的时间执行。

根据本发明的示例性实施例，成本节约、增加产量，和/或稳定装配可通过移除电极(例如，垫片)实现且可有助于产量的减少和/或价格的上涨。进一步，功率半导体模块的大小可通过分别在上部和下部处设置功率半导体和二极管减少，所述功率半导体和二极管通常设置在单一电极衬底上。过程简化和/或节约成本可通过移除引线框和衬底之间的电线粘合过程实现。进一步，热阻可通过移除电极减少且可通过额外地生成穿过引线框的散热路径改善散热性能。电极(例如，垫片)和电极衬底之间的分层可阻止以及相关的可靠性问题。

前述示例性实施例仅为实例以允许本发明所属领域的普通技术人员很容易实施本发明。因此，本发明不限于前述示例性实施例和附图，且因此，本发明的范围不限于前述示例性实施例。因此，本领域技术人员将明白，在不背离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可进行替换、修改和变动且替换、修改和变动也可属于本发明的范围。