[發明專利]在端子的腳部下方的金屬化層中具有凹陷的功率半導體模塊

在審

• 申請號: 201880046301.4
• 申請日: 2018-06-27
• 公開（公告）號: CN110945651A
• 公開（公告）日: 2020-03-31
• 發明（設計）人: M.馬萊基;F.菲舍爾;D.特呂澤爾;R-A.吉耶曼;D.施奈德
• 申請（專利權）人: ABB電網瑞士股份公司
• 主分類號: H01L23/498
• 分類號: H01L23/498
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李嘯;劉春元

一種功率半導體模塊（10）包括：絕緣襯底（14），所述絕緣襯底（14）具有頂部金屬化層（22）；半導體芯片（40），所述半導體芯片（40）接合到頂部金屬化層（22）；以及端子（12），所述端子（12）利用腳部（28）焊接到頂部金屬化層（22）并且電互連到半導體芯片（40）。頂部金屬化層（22）和襯底（14）的與頂部金屬化層（22）相對設置的底部金屬化層（44）中的至少一個包括多個凹陷（34），所述多個凹陷（34）在焊接腳部（28）下方和/或在焊接腳部（28）周圍分布在連接區域（32）中。

技術領域

本發明涉及功率半導體模塊和制造功率半導體模塊的方法。

背景技術

功率半導體模塊通常含有襯底，一個或多個功率半導體芯片、它們的電連接和若干端子接合到該襯底。端子可用于功率和輔助連接。該襯底可由陶瓷層構成，其中在所述陶瓷層的底部和頂部上有兩個金屬化層。

用于將端子結合（join）到襯底的通用方法是釬焊（solder）。然而，由于相當好的熱機械可靠性和較低的成本，超聲波焊接可以是用于將端子附接在功率半導體模塊中的優選技術。超聲波焊接可看作是摩擦焊接（即，結合伙伴（joining partner）的相對運動）和壓力焊接的混合，其通常在高溫下發生。在焊接期間在端子以及襯底上的其連接區域中的焊接壓力和顯著的熱梯度可在襯底中引起高應力。要注意，在典型端子的超聲波焊接期間，焊接區中的局部溫度甚至可在300℃以上。

這種應力的負荷源可被分類成三個類別：由鄰近的組件的CTE（熱膨脹系數）失配引起的熱負荷、由陶瓷內部的熱梯度引起的熱負荷以及由壓力引起的機械負荷。該應力可在焊接腳部（foot）下面（主要在腳部邊緣下面）的襯底的陶瓷中引起貝殼狀裂紋以及還有開口裂紋。這種裂紋可影響功率半導體模塊的可靠性，因為它可在服務期間引起陶瓷的絕緣擊穿或脆性破壞。此外，在不去除（諸如，蝕刻）金屬化的情況下，檢測這種微小裂紋是很難行得通。根據現有技術，不存在用于檢測金屬化層下面的裂紋的可靠的非破壞性測試。

存在若干不同的方法來降低裂紋形成率。作為示例，利用更軟的參數（像更低的能量、壓力和/或振幅）焊接可減少陶瓷裂紋可能性。然而，這種方法可導致具有較小接觸表面的不那么強的焊接。作為另一個示例，使用具有更高韌性或更好質量的陶瓷可降低陶瓷的破裂率。然而，這些材料優化可施加額外的成本。此外，可利用更薄的端子腳部實現更低的陶瓷破裂。然而，這可對電性能施加不利影響。

DE 10111185A1示出了一種金屬陶瓷襯底，其在金屬層中具有壓型（profiling），以用于降低金屬化層和釬焊層中的熱力學應力。在釬焊到金屬層的電氣組件或接觸元件的附近提供該壓型。

DE 102004019568A1涉及一種具有半導體芯片和釬焊到襯底的金屬化層的連接元件的功率半導體模塊。在連接元件下方或在連接元件旁邊的金屬化層中存在凹口（indention/indent）。連接元件釬焊到具有凹口的金屬化層。

DE 10337640A1涉及一種具有襯底的功率半導體模塊，所述襯底包括絕緣體上的兩個金屬化層。半導體元件被釬焊到上部金屬化層。下部金屬化層具有凹口。

US 2011/298121A1示出了具有半導體元件和釬焊到絕緣襯底的端子的功率半導體裝置。凹陷形成在絕緣襯底的金屬化層中。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有焊接端子的功率半導體模塊，所述功率半導體模塊在大體上無需增加制造成本的情況下，是更可靠的、具有強焊接并且具有良好的電氣特性。

該目的通過獨立權利要求的主題來實現。根據從屬權利要求和以下描述，另外的示例性實施例是明顯的。