專利名稱：功率半導(dǎo)體模塊和驅(qū)動功率半導(dǎo)體模塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體模塊。這樣的模塊通常包含兩個或者更多個功率半導(dǎo)體芯 片，例如包含二極管、晶閘管、IGBT、MOSFET、JFET等等。在功率半導(dǎo)體模塊之內(nèi)可以包含不 同的這種功率半導(dǎo)體芯片。
背景技術(shù)：
目前可用的功率半導(dǎo)體芯片包括范圍廣泛的不同芯片工藝。在過去，現(xiàn)代的快速 切換的功率半導(dǎo)體芯片的進(jìn)一步發(fā)展已導(dǎo)致越來越高的允許的阻擋層溫度以及由此導(dǎo)致 越來越高的工作溫度。由此需要將利用其將功率半導(dǎo)體芯片與功率半導(dǎo)體模塊的其它部件 相連接的傳統(tǒng)連接技術(shù)通過改進(jìn)的經(jīng)受更高溫度的連接技術(shù)來代替。當(dāng)在切換運(yùn)行時采用 相關(guān)的功率半導(dǎo)體芯片并且由此遭受強(qiáng)的溫度變化負(fù)載時，這種情況越來越多地適用。然 而，這種改進(jìn)的連接技術(shù)通常要求特定的、昂貴的芯片金屬化部，例如具有銅或者貴金屬的 芯片金屬化部。此外，也需要對模塊的與這種特定的芯片金屬化部(例如其上安裝有功率 半導(dǎo)體芯片的陶瓷襯底的金屬化部)相連的部件或者對功率半導(dǎo)體芯片利用其相連的接 合線提出提高的要求，這通常提高成本。在現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片的芯片金屬化部方面的最新發(fā)展產(chǎn)生銅金屬化部，而傳 統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片的芯片金屬化主要由鋁制成。相對于鋁，銅具有導(dǎo)電性高大約50%的 優(yōu)點(diǎn)。此外，銅特別良好地適于制造耐高溫的擴(kuò)散焊接連接(Diffusionloetverbindung)。 然而，銅一方面是昂貴的，另一方面易于被氧化。但是，為了制造擴(kuò)散焊接連接，需要至少一 個裸的銅表面，即銅必須在擴(kuò)散焊接之前例如被清除氧化層，或者裸的銅表面還必須在擴(kuò) 散焊接之前的時期(例如當(dāng)相關(guān)的部件要安置較長的時間時)中被保護(hù)免受氧化。然而， 所有這些措施是費(fèi)事的且昂貴的。除了擴(kuò)散焊接連接之外，低溫壓力燒結(jié)連接也具有高的耐熱性和高的溫度變化 耐受性。在這種情況下，包含銀粉和溶劑的糊(Paste)被引入到彼此要連接的配合件 (Fuegepartner)之間。接著，配合件在高壓下在預(yù)先給定的溫度的情況下相對彼此擠壓預(yù) 先給定的時間。由此，形成了耐高溫的且抗溫度變化(temperaturwechselstabil)的連接。 除了該制造工藝本身是費(fèi)事的且昂貴的之外，配合件的彼此要連接的表面必須被涂有貴金 屬(例如銀或者金)，這同樣提高了成本。另一基本上公知的連接技術(shù)是線接合。在這種情況下，接合線例如被接合到可自 由到達(dá)的上部芯片金屬化部上。對此通常采用的接合線主要由鋁制成。然而，在高溫差的 情況下的負(fù)載變化運(yùn)行時，鋁的機(jī)械特性以及隨之而來的接合連接的強(qiáng)度隨著時間的推移 而惡化。由此，在較長的運(yùn)行之后也可發(fā)生接合線從芯片金屬化部脫落(“l(fā)iftoff”)。與 此不同地，銅在負(fù)載變化運(yùn)行時具有顯著更好的特性，因此日益增加地采用基于銅的接合 線。然而，高價(jià)值的、抗溫度變化的線接合連接要求芯片金屬化部的硬度和接合線的硬度不 能相差過大。因此，從技術(shù)角度來看有利的是，在現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片中采用由銅構(gòu)成的 上部芯片金屬化部，當(dāng)然這是昂貴的。
在制造目前的功率半導(dǎo)體模塊時，出于制造技術(shù)的原因而采用了統(tǒng)一的電或機(jī)械 連接技術(shù)，這意味著功率半導(dǎo)體模塊的所有功率半導(dǎo)體芯片的彼此相對應(yīng)的接線端子以 同樣的連接技術(shù)被集成到模塊結(jié)構(gòu)中。對此的原因在于出于方法經(jīng)濟(jì)的原因，對于在制造 功率半導(dǎo)體模塊時的所有可比較的子步驟采用了同樣的連接技術(shù)。例如，模塊的所有功率半導(dǎo)體芯片的下側(cè)金屬化部可以借助傳統(tǒng)的熔融焊接連接 (Schmelzlotverbindung)例如被焊接到被金屬化的陶瓷襯底上，而上側(cè)金屬化部分別借助 鋁接合線連接被電連接。然而，如果現(xiàn)代的快速切換的功率半導(dǎo)體芯片利用這些連接技術(shù) 被內(nèi)裝(verbauen)在功率半導(dǎo)體模塊中，則存在高的概率，使得功率半導(dǎo)體模塊故障的原 因在于傳統(tǒng)的連接技術(shù)，因?yàn)楝F(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片與傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片相比大多在 更大的溫度偏移(Temperaturhub)的情況下運(yùn)行。替換于傳統(tǒng)的連接技術(shù)，自然可以以模塊統(tǒng)一的方式在模塊的彼此相對應(yīng)的部位 上采用耐高溫的連接技術(shù)(也就是即擴(kuò)散焊接、低溫壓力燒結(jié)、粘合、銅線接合)。但是這意 味著半導(dǎo)體芯片的不遭受高溫或強(qiáng)的溫度變化負(fù)載的金屬化部只為了采用現(xiàn)代的連接技 術(shù)而必須具有帶有銅和/或帶有貴金屬的金屬化部。由此，通過提高的制造成本來換取利 用現(xiàn)代連接技術(shù)制造的功率半導(dǎo)體模塊的更高的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于提供一種功率半導(dǎo)體模塊，其中具有基于鋁的芯片金屬化部的 功率半導(dǎo)體芯片和具有基于銅的芯片金屬化部的功率半導(dǎo)體芯片可以被混合采用并且仍 然可以成本低廉地被制造。另一任務(wù)在于，提供一種用于驅(qū)動這種功率半導(dǎo)體模塊的方法。 這些任務(wù)通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊以及通過根據(jù)權(quán)利要求沈所述的用 于驅(qū)動功率半導(dǎo)體模塊的方法來解決。本發(fā)明的擴(kuò)展方案和改進(jìn)方案是從屬權(quán)利要求的主 題。本發(fā)明基于如下認(rèn)知a)在高溫時和在高的溫度變化負(fù)載的情況下在切換運(yùn)行時采用的快速切換的功 率半導(dǎo)體芯片的使用壽命高度地與所采用的利用其內(nèi)裝功率半導(dǎo)體芯片的連接技術(shù)/多 個連接技術(shù)的質(zhì)量有關(guān)，因此在快速切換的功率半導(dǎo)體芯片中，基于銅的芯片金屬化部是 有利的。b)在極少切換的功率半導(dǎo)體芯片(與快速切換的功率半導(dǎo)體芯片相比，所述極少 切換的功率半導(dǎo)體芯片在低溫或小的溫度變化負(fù)載的情況下例如在整流器運(yùn)行時被采用) 中，使用壽命基本上受芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)制約并且不受所選的連接技術(shù)/多個連接技術(shù)顯著 影響，因此在緩慢切換的功率半導(dǎo)體芯片的情況下，基于鋁的芯片金屬化部就足夠了。在包括整流器電路和逆變器電路的變頻器中采用的功率半導(dǎo)體模塊具有殼體、至 少一個陶瓷襯底以及第一功率半導(dǎo)體芯片和第二功率半導(dǎo)體芯片。第一功率半導(dǎo)體芯片是 整流器電路的組成部分，并且具有帶有上部芯片金屬化部和下部芯片金屬化部的第一半導(dǎo) 體本體。第二功率半導(dǎo)體芯片是逆變器電路的組成部分并且包括帶有上部芯片金屬化部和 帶有下部芯片金屬化部的第二半導(dǎo)體本體。第一功率半導(dǎo)體芯片和第二功率半導(dǎo)體芯片被 布置在殼體中。與第一功率半導(dǎo)體芯片的上部芯片金屬化部和/或下部芯片金屬化部分別緊鄰有如下連接裝置之一熔融焊接層、鋁比例為鋁的重量百分比為至少99或者至少99. 9的基 于鋁的接合線。與第二功率半導(dǎo)體芯片的上部芯片金屬化部和/或下部芯片金屬化部分 別緊鄰如下連接裝置之一擴(kuò)散焊接層、含銀的燒結(jié)層、粘合層、銅比例為重量百分比為至 少99或者至少99. 9或者具有銅的基于銅的接合線。在用于驅(qū)動功率半導(dǎo)體模塊的方法中，第一功率半導(dǎo)體芯片在最大阻擋層溫度小 于150°C的情況下運(yùn)行，而第二功率半導(dǎo)體芯片在最大阻擋層溫度大于150°C的情況下運(yùn) 行。在本說明書中，在傳統(tǒng)的連接技術(shù)和耐高溫的連接技術(shù)之間進(jìn)行區(qū)分。倘若這些 技術(shù)的單個技術(shù)不是無需解釋的，則在下文對其更為詳細(xì)地闡述。在本發(fā)明的意義上，熔融焊接或者利用基于鋁的接合線進(jìn)行接合被視為傳統(tǒng)的連 接技術(shù)。在熔融焊接時，現(xiàn)有的軟焊料(例如基于錫的焊料)被引入到兩個彼此要連接的 配合件之間，被熔化并且被冷卻，使得形成將配合件彼此連接的簡單的熔融焊接層。不同于 擴(kuò)散焊接層，熔融焊接層必要時具有低比例(也就是重量百分比小于大約20)的金屬間相。 在本申請的意義下，對象(例如接合線、金屬化部或者金屬片)在其具有鋁的重量百分比為 至少99或者至少99. 9的比例時被稱為“基于鋁的”。擴(kuò)散焊接、低溫壓力燒結(jié)或者粘合被視為在本發(fā)明的意義下用于制造耐高溫的連 接的連接技術(shù)，或者利用基于銅的接合線進(jìn)行接合也被視為在本發(fā)明的意義下用于制造耐 高溫的連接的連接技術(shù)。在本申請的意義下，對象(例如接合線、金屬化部或者金屬片)在 其具有銅的重量百分比為至少99或者至少99. 9的比例時被稱為“基于銅的”。在粘合的情 況下，可以使用電絕緣的或者導(dǎo)電的粘合劑。擴(kuò)散焊接基于在焊接期間，彼此要連接的配合件的材料擴(kuò)散到液態(tài)焊料中并且 與焊料組成部分一起構(gòu)造金屬間相，所述金屬間相具有高于所使用的焊料的熔點(diǎn)的熔點(diǎn)。 比例為金屬間相的重量百分比為至少70的焊接層被視為在本發(fā)明的意義下的擴(kuò)散焊接 層。這種金屬間相例如可以包含金屬間的銅-錫相(例如Cu3Sn或者Cu3Sn5)。為了制造 其，兩個彼此要連接的配合件必須在其彼此要連接的表面上能夠提供銅，也就是在每個配 合件中(在焊接過程之前)最上面的層在設(shè)置的接合部位的區(qū)域中具有銅或者由銅制成。 包含錫的焊料可以被用作焊料?？蛇x地，焊料可以在焊接過程之前也摻入由一個或多個金 屬間相構(gòu)成的粒子。為了獲得穩(wěn)定的擴(kuò)散焊接層，有利的是，金屬間相(不同于在傳統(tǒng)的 熔融焊接連接的情況下)至少逐區(qū)段地連貫地在彼此要連接的焊接配對的表面之間延伸。在低溫壓力燒結(jié)的情況下，制造壓力燒結(jié)層，其方式是具有銀粉和溶劑的糊被引 入到要連接的配合件之間并且在壓力(例如30MPa)下在范圍從大約150°C到250°C的溫度 的情況下將配合件相對于彼此擠壓。為了構(gòu)造以這種方式制造的含銀的燒結(jié)連接層，有利 的是，配合件在其要相互連接的表面上完全地或者至少主要由貴金屬(例如銀或者金)制 成。這種含銀的燒結(jié)連接層具有重量百分比為至少99或者至少99. 9的銀比例。含銀的燒結(jié) 連接層在此可以具有孔總體積比例為例如燒結(jié)連接層的大約50體積百分比的高孔隙率。


以下借助實(shí)施例參照所附的附圖示例性地闡述了本發(fā)明。其中
圖1示出了通過無底板的功率半導(dǎo)體模塊的垂直截面，該無底板的功率半導(dǎo)體模 塊具有兩個功率半導(dǎo)體芯片，這兩個功率半導(dǎo)體芯片被布置在不同的陶瓷襯底上并且其中 一個具有基于鋁的芯片金屬化部而另一個具有基于銅的芯片金屬化部；圖2示出了通過功率半導(dǎo)體模塊的垂直截面，該功率半導(dǎo)體模塊具有兩個功率半 導(dǎo)體芯片，這兩個功率半導(dǎo)體芯片被布置在不同的安裝在功率半導(dǎo)體模塊的底板上的陶瓷 襯底上并且其中一個具有基于鋁的芯片金屬化部而另一個具有基于銅的芯片金屬化部；圖3示出了通過功率半導(dǎo)體模塊的垂直截面，該功率半導(dǎo)體模塊具有整流器電路 和逆變器電路，其中整流器電路的功率半導(dǎo)體芯片在空間上被分組為第一組而逆變器電路 的功率半導(dǎo)體芯片在空間上被分組為第二組，并且各個組被布置在底板的已熱解耦的段 上；圖4A示出了如在根據(jù)圖1至3的功率半導(dǎo)體模塊中可被采用的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo) 體芯片的放大的圖示，其中上部和下部金屬化部分別具有多個部分層；圖4B示出了如在根據(jù)圖1至3的功率半導(dǎo)體模塊中可被采用的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo) 體芯片的放大的圖示，其中上部金屬化部具有基于鋁的部分層，該基于鋁的部分層直接接 觸基于鋁的接合線；圖5A示出了如在根據(jù)圖1至3的功率半導(dǎo)體模塊中可被采用的現(xiàn)代的功率半導(dǎo) 體芯片的放大的圖示，其中上部和下部金屬化部分別具有多個部分層；圖5B示出了如在根據(jù)圖1至3的功率半導(dǎo)體模塊中可被采用的現(xiàn)代的功率半導(dǎo) 體芯片的放大的圖示，其中上部金屬化部具有基于銅的部分層，該基于銅的部分層直接接 觸基于銅的接合線；圖6示出了功率半導(dǎo)體模塊的一體式構(gòu)造的底板的俯視圖，該底板具有兩個與接 片連接的段；圖7示出了功率半導(dǎo)體模塊的具有兩個彼此相間隔的段的底板的俯視圖；圖8示出了陶瓷襯底的俯視圖，其中在所有情況下整流器電路的所有功率半導(dǎo) 體芯片在空間上分組為第一組而逆變器電路的所有功率半導(dǎo)體芯片在空間上分組為第二 組；圖9示出了具有功率半導(dǎo)體模塊的電路圖，該功率半導(dǎo)體模塊包含用于整流器電 路的功率半導(dǎo)體芯片和用于逆變器電路的功率半導(dǎo)體芯片；以及圖10示出了去掉了殼體的功率半導(dǎo)體模塊的透視圖。所示的附圖除非另外提及都不是合乎比例的。在以下具體實(shí)施方式
部分中所使 用的與方向相關(guān)的術(shù)語(例如如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“側(cè)面”、“在...上”、 “在...下”等之類的概念)涉及相應(yīng)的附圖。這些術(shù)語僅被用于使對附圖的理解容易?；?本上，所示的元件在空間上可以任意地布置，只要從本說明書中沒有其它內(nèi)容得出。此外， 除非明確地另外提及，在不同的附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示具有相同的或者彼此相對應(yīng) 的功能的相同的或者彼此相對應(yīng)的元件。
具體實(shí)施例方式圖1示出了通過功率半導(dǎo)體模塊100的垂直截面。該模塊具有帶有殼體框65的殼 體60以及可選的接片62，該接片62被布置在兩個被金屬化的陶瓷襯底3和4之間。陶瓷襯底3、4分別具有陶瓷小板30或40，這些陶瓷小板30或40在其上側(cè)上配備有上部金屬化 部31或41。上部金屬化部31或41可以可選地被結(jié)構(gòu)化。此外，陶瓷襯底3、4在其下側(cè) 分別具有可選的、未結(jié)構(gòu)化的下部金屬化部32或42。陶瓷襯底3、4基本上可以(彼此無關(guān) 地和彼此任意組合地)被構(gòu)造為DCB襯底(DCB=直接銅接合(direct copper bonding))、 被構(gòu)造為DAB襯底(DAB=直接鋁接合(direct aluminium bonding))或者被構(gòu)造為AMB 襯底(AMB =活性金屬釬焊(active metal brazing))。上部金屬化部31或41可以(同樣 彼此無關(guān)地和彼此任意組合地)完全或者至少主要由銅或者鋁制成。為了避免襯底3、4的 由溫度引起的彎曲，陶瓷襯底3或4的下部金屬化部32或42和上部金屬化部31或41以 襯底統(tǒng)一的方式由同樣的材料制成。在需要時，陶瓷襯底3及4的上部金屬化部31、41可 以被結(jié)構(gòu)化成印制導(dǎo)線和/或?qū)w面，以便能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)裝在功率半導(dǎo)體模塊中的電子部件 (例如功率半導(dǎo)體芯片)的布線。陶瓷襯底3和4在其側(cè)向邊緣的區(qū)域中被固定在殼體60上，然而這在圖1中并未 示出。在兩個相鄰的襯底3、4之間布置的殼體接片62同樣用于固定與其相鄰的陶瓷襯底 3和4。如果功率半導(dǎo)體模塊100僅僅具有恰好一個陶瓷襯底，則殼體接片62可以取消。在功率半導(dǎo)體模塊100的陶瓷襯底3、4的每個上可以根據(jù)功率半導(dǎo)體模塊的相應(yīng) 的電路要求來布置一個或多個功率半導(dǎo)體芯片1或2。用附圖標(biāo)記“1”表征整流器電路的 功率半導(dǎo)體芯片，用附圖標(biāo)記“2”表征逆變器電路的功率半導(dǎo)體芯片?；旧?，功率半導(dǎo)體模塊100可以具有恰好一個或者也可以具有多個分別裝備有 至少一個功率半導(dǎo)體芯片1、2的陶瓷襯底3、4。在陶瓷襯底3的上部金屬化部31上布置有傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1，在該功率半 導(dǎo)體芯片1的上側(cè)上涂敷上部芯片金屬化部11而在該功率半導(dǎo)體芯片1的下側(cè)上涂敷下 部芯片金屬化部12。上部芯片金屬化部11和下部芯片金屬化部12分別具有至少一個基于 鋁的部分層，所述至少一個基于鋁的部分層的厚度例如可以為大于1 μ m或者大于2 μ m。在功率半導(dǎo)體芯片1的半導(dǎo)體本體和這種基于鋁的部分層之間可選地還可以設(shè) 置例如金屬的勢壘層，該勢壘層最大可能地防止鋁從該部分層擴(kuò)散到半導(dǎo)體本體中。在其 背離功率半導(dǎo)體本體的那側(cè)上，基于鋁的部分層此外還可以配備有可選的其它的金屬層， 例如以便改善可焊性或者保護(hù)基于鋁的部分層的否則裸露的表面免受外部機(jī)械和/或化 學(xué)影響。這種其它的金屬層例如可以由如下材料之一制成Ag、NiPd、NiAu、NiPdAu?？蛇x 地，這些材料可以包含合金添加劑。半導(dǎo)體芯片1借助傳統(tǒng)的連接層15 (即借助熔融焊接層)與陶瓷襯底3的上部金 屬化部31相連接。在被構(gòu)造為熔融焊接層的連接層15的情況下，下部芯片金屬化部12和 上部襯底金屬化部31的朝向彼此的表面可以在焊接過程之前至少在要用焊料潤濕的部位 上配備有涂層，該涂層改善了可焊性，即降低了焊接時的熱需要量和/或提高了表面的可 潤濕性。這種涂層例如可以由鎳、金或者銀制成或者由具有這些金屬中的至少一種的合金 制成。為了在上側(cè)接觸功率半導(dǎo)體芯片1設(shè)置有基于鋁的接合線71，該基于鋁的接合線 71被接合到功率半導(dǎo)體芯片1的上部芯片金屬化部11上。接合線71可以將上部芯片金屬 化部11與功率半導(dǎo)體模塊100的任意其它部件相連。圖1中所示的至在陶瓷襯底3的上 部襯底金屬化部31中構(gòu)造的印制導(dǎo)線的連接因而應(yīng)被理解為僅僅是示例性的。
布置在陶瓷襯底4上的功率半導(dǎo)體芯片2是快速切換的功率半導(dǎo)體芯片，該快速 切換的功率半導(dǎo)體芯片包括基于硅或者基于碳化硅的半導(dǎo)體本體20，該半導(dǎo)體本體20在 其上側(cè)上配備有上部芯片金屬化部21而在其下側(cè)上配備有下部芯片金屬化部22。上部芯 片金屬化部21和下部芯片金屬化部22分別具有至少一個基于銅的部分層，該基于銅的部 分層的厚度例如可以為大于1 μ m或者大于2 μ m。在功率半導(dǎo)體芯片2的半導(dǎo)體本體和這種基于銅的部分層之間可選地還可以設(shè) 置有例如金屬的勢壘層，該勢壘層最大可能地防止了銅從該部分層擴(kuò)散到半導(dǎo)體本體中。 此外，基于銅的部分層在其背離功率半導(dǎo)體本體的那側(cè)上還可以配備有可選的其它金屬 層，例如以便保護(hù)基于銅的部分層的否則裸露的表面免受外部機(jī)械和/或化學(xué)影響。這種 其它的金屬層例如可以由如下合金之一制成Ag、NiPd、NiAu、NiPdAu?？蛇x地，這些合金可 以含有其它合金添加劑。為了將功率半導(dǎo)體芯片2牢固地與陶瓷襯底4連接，設(shè)置有連接層16，該連接層 16將下部芯片金屬化部22與陶瓷襯底4的上部金屬化部41相連接。連接層16可以被構(gòu) 造為擴(kuò)散焊接層、被構(gòu)造為粘合層或者被構(gòu)造為含銀的燒結(jié)層。在被構(gòu)造為擴(kuò)散焊接層的連接層16的情況下，下部芯片金屬化部22和上部襯底 金屬化部41的彼此要連接的表面完全地或者至少主要由銅制成。為了制造擴(kuò)散焊接連接， 使用了基于錫的焊料。完成了的擴(kuò)散焊接層以重量百分比為至少70由一種或多種金屬間 的銅-錫相制成，例如由Cu3Sn或者Cu3Sn5制成。在被構(gòu)造為含銀的燒結(jié)層的連接層16的情況下，功率半導(dǎo)體芯片2的下部金屬化 部22和陶瓷襯底4的上部金屬化部41在燒結(jié)之前至少在其彼此要連接的表面的區(qū)域中配 備有貴金屬構(gòu)成的涂層，該貴金屬例如是銀或者金或者是具有這些金屬中的至少一種的合^^ ο為了也在上側(cè)電連接功率半導(dǎo)體芯片2，設(shè)置有基于銅的接合線72，該基于銅的 接合線72被接合到上部芯片金屬化部21上。上部芯片金屬化部21可以利用接合線72被 連接到功率半導(dǎo)體模塊100的任意其它的電部件上。圖1中所示的與上部襯底金屬化部41 的被構(gòu)造為印制導(dǎo)線的區(qū)段的連接因而應(yīng)被理解為僅僅是示例性的。功率半導(dǎo)體模塊100的功率半導(dǎo)體芯片1、2例如可以是變頻器電路的組成部分， 該變頻器電路整個或者部分地被實(shí)現(xiàn)成功率半導(dǎo)體模塊100。變頻器電路尤其是包含整流 器電路和逆變器電路。功率半導(dǎo)體芯片2是逆變器電路的組成部分并且以快速時鐘控制的 方式在切換交替運(yùn)行時被采用。功率半導(dǎo)體芯片2因此遭受高溫和強(qiáng)的溫度變化負(fù)載。功 率半導(dǎo)體芯片1是整流器電路的組成部分。與功率半導(dǎo)體芯片2相比，功率半導(dǎo)體芯片1 遭受較小的最高溫度并且受到較低的溫度變化負(fù)載。在根據(jù)圖1的例子中，在陶瓷襯底3上布置有一個或多個傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片1，然 而沒有布置耐高溫的功率半導(dǎo)體芯片2。由此，功率半導(dǎo)體模塊的布置在陶瓷襯底3上的電 路部分在比布置在陶瓷襯底4上的電路部分更低的溫度的情況下運(yùn)行，使得可以采用傳統(tǒng) 的連接技術(shù)，也就是采用由熔融焊料構(gòu)成的連接層15或具有基于鋁的接合線71的接合連 接，以便將所述一個或多個半導(dǎo)體芯片1與陶瓷襯底3相連接和/或電接通所述一個或多 個功率半導(dǎo)體芯片1。基本上，在陶瓷襯底3上也可以內(nèi)裝帶有基于銅的芯片金屬化部的現(xiàn)代的耐高溫的功率半導(dǎo)體芯片，只要這些功率半導(dǎo)體芯片不是在如下的一個或多個連接層15中的溫 度不允許升高的溫度范圍中運(yùn)行利用所述一個或多個連接層15將模塊100的布置在陶 瓷襯底3上的其它傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1與陶瓷襯底3連接。在陶瓷襯底4上布置有一個或多個具有基于銅的芯片金屬化部21、22的現(xiàn)代的耐 高溫的功率半導(dǎo)體芯片2，可是沒有布置具有基于鋁的芯片金屬化部的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體 芯片。安裝在陶瓷襯底4上的現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2中的每個都借助耐高溫的連接工藝、 即借助被構(gòu)造為含銀的燒結(jié)層或者被構(gòu)造為擴(kuò)散焊接層的耐高溫的連接層16與上部金屬 化部41連接和/或借助基于銅的接合線72與功率半導(dǎo)體模塊100的其它部件電接通。為了向外部接通功率半導(dǎo)體模塊100，設(shè)置有金屬的連接片51、52(例如被沖制的 和彎曲的銅片)，這些金屬的連接片51、52可以從殼體60突出并且其外端部與其它電部件 旋緊在一起、壓緊在一起、夾緊在一起或者焊接在一起。此外，軟澆注材料65 (例如硅凝膠) 被填充到殼體60中，該軟澆注材料65提高了功率半導(dǎo)體模塊100的絕緣強(qiáng)度，并且該軟澆 注材料65至少覆蓋功率半導(dǎo)體模塊100的所有功率半導(dǎo)體芯片1、2的上側(cè)。為了將連接片51、52導(dǎo)電地連接到集成在功率半導(dǎo)體模塊100中的電路上，設(shè)置 有基于鋁的接合線或者基于鋁的小帶73，其將連接片51與陶瓷襯底3的上部襯底金屬化部 31連接，以及設(shè)置有基于銅的接合線或者基于銅的小帶74，其將陶瓷襯底4的上部金屬化 部41與連接片52連接。代替借助接合線73或74將連接片51和/或52與相應(yīng)的上部襯底金屬化部31 或41連接，也可以直接借助超聲焊接將連接片51和/或52的下端部與相應(yīng)的襯底金屬化 部31或41連接?；阡X的接合線或者小帶73也可以被采用在該部位上，因?yàn)檫@些基于鋁的接合 線或者小帶73與接合到現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2上的接合線72相比受到顯著更低的溫度 和溫度變化負(fù)載。但是，基本上，接合線或者小帶73也可以被構(gòu)造為基于銅的接合線或者 小帶73。圖1中所示的功率半導(dǎo)體模塊100是所謂的“無底板的”功率半導(dǎo)體模塊，因?yàn)樵?功率半導(dǎo)體模塊不具有在其上共同地安裝功率半導(dǎo)體模塊100的陶瓷襯底3、4的底板。因 而，所有被內(nèi)裝在功率半導(dǎo)體模塊100中的裝備有功率半導(dǎo)體芯片1或者2的陶瓷襯底3、 4的下側(cè)3b、4b形成了功率半導(dǎo)體模塊100的下側(cè)IOOb的部分。與此相比，圖2示出了功率半導(dǎo)體模塊100，該功率半導(dǎo)體模塊具有底板9，該底 板9可以是例如基于銅的。該底板9具有上側(cè)91以及下側(cè)92。在底板9上布置有分別 裝備的陶瓷襯底3、4，所述陶瓷襯底3、4的下部金屬化部32或42借助連接層95或96與 底板9的上側(cè)91連接。在被構(gòu)建為焊接層的連接層95或96的情況下，設(shè)置有固定結(jié)構(gòu) (Verankerungsstruktur)。這種固定結(jié)構(gòu)例如可以被構(gòu)造為金屬格柵或者被構(gòu)造為金屬 網(wǎng)，其為了焊接而被插入在陶瓷襯底3或4的下部金屬化部32或42之間并且被焊接在一 起。固定結(jié)構(gòu)的另一例子是多個稍帶長形的柱，這些柱在下部襯底金屬化部32或42的下 側(cè)上基本上垂直于相關(guān)的陶瓷小板30或40走向并且是下部襯底金屬化部32或42的組成 部分。為了在功率半導(dǎo)體模塊100運(yùn)行時避免裝配有至少一個陶瓷襯底3、4的底板9的 由溫度引起的過強(qiáng)的撓曲，該底板9可以在被裝配有陶瓷襯底3、4之前預(yù)彎曲，使得底板911的下側(cè)92尤其是在高的工作溫度的情況下盡可能是平的，以便實(shí)現(xiàn)盡可能良好地將在功 率半導(dǎo)體芯片1、2中出現(xiàn)的損耗熱導(dǎo)出至安裝在底板9的下側(cè)92上的冷卻體(未示出)。陶瓷襯底3、4及其裝配有功率半導(dǎo)體芯片1、2、接合線71、72以及具有接合線73 或74的布線可以以相同的方式、利用相同的材料和利用相同的連接技術(shù)來進(jìn)行，如這在前 面在根據(jù)圖1的功率半導(dǎo)體模塊100的情況下已被描述的那樣。由于布置在陶瓷襯底3上的所有功率半導(dǎo)體芯片1在比較低的溫度的情況下(即 在小于例如125或者150°C的阻擋層溫度的情況下)運(yùn)行，所以傳統(tǒng)的連接技術(shù)(即熔融 焊接)可被用于將陶瓷襯底3與底板91連接。連接層95因此被構(gòu)造為熔融焊接層。替換 于此地，連接層95也可以被構(gòu)造為擴(kuò)散焊接層，被構(gòu)造為粘合層或者被構(gòu)造為含銀的燒結(jié)層。布置在陶瓷襯底4上的功率半導(dǎo)體芯片2在比較高的溫度的情況下(即在大于 125、大于150°C或者大于175°C的阻擋層溫度的情況下)運(yùn)行，因此將陶瓷襯底4的下部金 屬化部與底板9相連接的連接層96必須是耐高溫的并且是抗溫度變化的，也就是連接層96 被構(gòu)造為擴(kuò)散焊接層、被構(gòu)造為粘合層或者被構(gòu)造為含銀的燒結(jié)層。在功率半導(dǎo)體模塊 100中，底板9的下側(cè)92至少形成功率半導(dǎo)體模塊100的下側(cè)IOOb的最大部分。在本發(fā)明的所有可能的擴(kuò)展方案中，功率半導(dǎo)體模塊100的所有裝配有功率半導(dǎo) 體芯片1、2的陶瓷襯底3、4借助以下連接技術(shù)中的同一連接技術(shù)與底板9的上側(cè)91相連 接擴(kuò)散焊接、銀壓力燒結(jié)或者粘合。圖3中所示的功率半導(dǎo)體模塊與根據(jù)圖2的功率半導(dǎo)體模塊的區(qū)別在于圖3中 所示的功率半導(dǎo)體模塊的底板9具有至少兩個在熱學(xué)上盡可能彼此解耦的段9a、9b。熱解 耦通過在段9a和9b之間的間隙93來實(shí)現(xiàn)。間隙93可以連貫地被構(gòu)造，使得段9a和9b 彼此相間隔。替換于此地，段9a和9b也可以通過接片彼此連接。圖4A示出了傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1的放大的圖示，如其例如在根據(jù)圖1至3的 功率半導(dǎo)體模塊中例如可以在整流器電路中被采用的那樣。第一功率半導(dǎo)體芯片1的上部金屬化部11具有多個金屬的部分層IlaUlb和 11c，下部金屬化部12具有多個金屬的部分層12a、12b和12c。上部金屬化部11的第一部分層Ila和下部金屬化部12的第一部分層1 分別是 基于鋁的并且以重量百分比大于99或者甚至以重量百分比大于99. 9來由鋁制成。其功能 主要在于承載第一功率半導(dǎo)體芯片1的高電流。上部金屬化部11的第一部分層Ila和下 部金屬化部12的第一部分層12a因此與其它部分層lib和Ilc或12b和12c相比具有相 對高的厚度，例如具有大于1 μ m或者大于2 μ m的厚度，例如具有約3 μ m的厚度。上部金屬化部11的第二部分層lib和下部金屬化部12的第二部分層12b承擔(dān)了 勢壘層的功能，目的是顯著地減小鋁從上部金屬化部11的第一部分層Ila或從下部金屬化 部12的第一部分層1 到半導(dǎo)體本體10中的擴(kuò)散。第二部分層lib和/或12b例如可以 由如下材料中的一種或者多種制成或者具有如下材料中的至少一種TiN、Ta、TaN, Tiff, W、 合金或者這些層的組合。第二部分層lib和/或12b的厚度例如可以分別為約500nm。上部金屬化部11的第三部分層Ilc被布置在上部金屬化部11的第一部分層Ila 的背離半導(dǎo)體本體10的那側(cè)上。相對應(yīng)地，下部金屬化部12的第三部分層12c被布置在 下部金屬化部12的第一部分層12a的背離半導(dǎo)體本體10的那側(cè)上。第三部分層Ilc和12c例如可以由如下材料中的一種或多種制成或者具有如下材料中的至少一種Ag、NiPd, NiAu, NiPdAu?？蛇x地，這些材料可以包含合金添加劑。此外，上部金屬化部11還可以具有附加的、可選的部分層，所述附加的、可選的部 分層被布置在上部金屬化部11的第一部分層Ila與上部金屬化部11的第二部分層lib之 間和/或被布置在上部金屬化部11的第二部分層lib與半導(dǎo)體本體10之間。相對應(yīng)地， 下部金屬化部12可選地還可以具有其它的部分層，這些其它的部分層被布置在下部金屬 化部12的第一部分層1 與下部金屬化部12的第二部分層12b之間和/或被布置在下部 金屬化部12的第二部分層12b與半導(dǎo)體本體10之間。在此，在上部金屬化部11的第三部分層Ilc被布置在接合線71和第一部分層Ila 之間期間，上部金屬化部11的第三部分層Ilc根據(jù)圖4B中所示的可替換的擴(kuò)展方案在制 造接合連接期間被接合線71局部損壞，使得接合線71直接接觸上部金屬化部11的第一部 分層Ila并且與其構(gòu)造牢固的接合連接。圖5示出了現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2的放大的圖示，如其例如在根據(jù)圖1至3的 功率半導(dǎo)體模塊中例如可以在逆變器電路中被采用的那樣。第二功率半導(dǎo)體芯片2的上部金屬化部21具有多個金屬的部分層21a、21b和 21c，下部金屬化部22具有多個金屬的部分層2 和22b。上部金屬化部21的第一部分層21a和下部金屬化部22的第一部分層2 分別是 基于銅的并且以重量百分比大于99或者甚至以重量百分比大于99. 9來由銅制成。所述上 部金屬化部21的第一部分層21a和下部金屬化部22的第一部分層22a的功能主要在于承 載第二功率半導(dǎo)體芯片2的高電流。所述上部金屬化部21的第一部分層21a和下部金屬 化部22的第一部分層22a因此與其它部分層21b和21c或22b相比具有相對高的厚度，具 有例如大于1 μ m或者大于2 μ m的厚度，具有例如約3 μ m的厚度。上部金屬化部21的第二部分層21b和下部金屬化部22的第二部分層22b承擔(dān)勢 壘層的功能，目的是顯著地減小銅從上部金屬化部21的第一部分層21a或從下部金屬化部 22的第一部分層2 到半導(dǎo)體本體20中的擴(kuò)散。第二部分層21b和22b例如可以由如下 材料中的一種或者多種制成或者具有如下材料中的至少一種TiN、Ta、TaN, TiW、W、合金或 者這些層的組合。第二部分層21b和/或22b的厚度例如可以分別為約500nm。上部金屬化部21的第三部分層21c被布置在上部金屬化部21的第一部分層21a 的背離半導(dǎo)體本體20的那側(cè)上。第三部分層21c例如可以由如下材料中的一種或多種制 成或者具有如下材料中的至少一種NiPd、NiAu, NiPdAu?？蛇x地，這些材料可以包含合金 添加劑。此外，上部金屬化部21還可以具有附加的、可選的部分層，所述附加的、可選的部 分層被布置在上部金屬化部21的第一部分層21a與上部金屬化部21的第二部分層21b之 間和/或被布置在上部金屬化部21的第二部分層21b與半導(dǎo)體本體20之間。相對應(yīng)地， 下部金屬化部22可選地還可以具有其它的部分層，所述其它的部分層被布置在下部金屬 化部22的第二部分層22b與半導(dǎo)體本體20之間?？蛇x地，下部金屬化部22可以在制造第二功率半導(dǎo)體芯片2和陶瓷襯底4之間的 焊接連接之前作為第三部分層具有含錫的焊接層，該含錫的焊接層在制造焊接連接之前形 成功率半導(dǎo)體芯片2的下表面，并且該含錫的焊接層被直接地或者間接地涂敷到第一部分層2 的背離半導(dǎo)體本體20的那側(cè)上。為了制造在第二功率半導(dǎo)體芯片2和陶瓷襯底4之 間的焊接連接，含錫的焊接層被熔化并且被冷卻來使得由該含錫的焊接層形成連接層16。 在焊接過程期間，銅可以從陶瓷襯底4的上部金屬化部41滲入到含錫的焊料中，并且只要 含錫的焊料被直接涂敷到第二半導(dǎo)體芯片2的下部金屬化部22的第一部分層2 上，銅就 可以從下部金屬化部22的第一部分層2 滲入到含錫的焊料中，并且與包含在其中的錫一 起構(gòu)造高熔點(diǎn)的金屬間的銅-錫相(例如Cu3Sn或Cu3Sn5)。在此，在上部金屬化部21的第三部分層21c被布置在接合線72和第一部分層21a 之間期間，上部金屬化部21的第三部分層21c根據(jù)圖5B中所示的可替換的擴(kuò)展方案在制 造接合連接期間被接合線72局部損壞，使得接合線72直接接觸上部金屬化部21的第一 部分層21a并且與其構(gòu)造牢固的接合連接。圖6示出了具有兩個彼此已熱解耦的段9a和9b的底板9，這些段9a和9b借助接 片94彼此連接。間隙93被構(gòu)造為一體式的底板9中的稍帶長形的槽。虛線示出了底板9 的上側(cè)91的其上安裝有陶瓷襯底3或4的區(qū)段。根據(jù)圖7中所示的可替換的底板9的例子，底板9的段9a、9b也可以彼此相間隔。圖8示出了陶瓷襯底5的俯視圖，在該陶瓷襯底5上布置具有基于鋁的芯片金屬 化部11的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1以及具有基于銅的芯片金屬化部21的現(xiàn)代的功率半導(dǎo) 體芯片2。所有傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1都與陶瓷襯底5的上部金屬化部51借助以下連接 層相連接該連接層可以如在圖1中所闡述的連接層15那樣被構(gòu)造和被制造。在此，不同 的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1也可以利用不同的傳統(tǒng)的連接技術(shù)與金屬化部51相連接。同 樣，所有布置在陶瓷襯底5上的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1可以利用同樣的傳統(tǒng)連接技術(shù)與 上部金屬化部51相連接。相對應(yīng)地，現(xiàn)代的、快速切換的并且在高溫的情況下運(yùn)行的功率半導(dǎo)體芯片2在 所有情況下都利用耐高溫的連接層(該連接層可以如在圖1中所闡述的連接層16那樣被 構(gòu)建)與上部金屬化部51相連接。在這種情況下，不同的功率半導(dǎo)體芯片2也可以利用不 同的耐高溫的連接技術(shù)與金屬化部51相連接。替換于此地，所有被布置在陶瓷襯底5上的 功率半導(dǎo)體芯片2利用同樣的耐高溫的連接技術(shù)與金屬化部51相連接。此外，傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1在其基于鋁的上部芯片金屬化部11上借助基于鋁 的接合線71來接通。與此不同地，在高阻擋層溫度的情況下運(yùn)行的現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片 2在其基于銅的上部芯片金屬化部21上借助基于銅的接合線72來接通。此外，在逆變器電路W的功率半導(dǎo)體芯片2附近布置無源器件80，譬如布置溫度 傳感器、NTC電阻(NTC =負(fù)溫度系數(shù)(negativetemperature coefficient))、分流電阻或 者電容器。無源器件80同樣具有如下金屬化部在所述金屬化部上無源器件借助擴(kuò)散焊接 層、粘合層或者銀燒結(jié)層與陶瓷襯底相連接。這樣的無源器件80也可以在根據(jù)圖1至3 的布局中利用同樣的連接技術(shù)被布置在一個或多個同樣的襯底4上，逆變器電路的功率半 導(dǎo)體芯片2也位于所述一個或多個同樣的襯底4上。為了在根據(jù)圖8的布局中使傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1、用來將傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體 芯片1與金屬化部51相連接的傳統(tǒng)的連接層以及接合線71與在現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2 運(yùn)行時出現(xiàn)的高溫解耦，傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1和現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2彼此相間隔 地被布置在陶瓷襯底5上。在傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1和現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2之間的最小距離d例如可以被選擇為大于5mm或者大于10mm。在此適宜的是，將傳統(tǒng)的功率半導(dǎo) 體芯片1和現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2組合成分別在空間上分離的組。這些組接著同樣彼此 具有距離d。在根據(jù)圖8的例子中，傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1是整流器電路G的組成部分，該整 流器電路G遭受比較小的溫度變化負(fù)載。與此相對，現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2是逆變器電 路W的組成部分?，F(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2比傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1遭受顯著更高的阻 擋層溫度和溫度變化負(fù)載。如果陶瓷襯底被采用在無底板的功率半導(dǎo)體模塊中，則陶瓷襯底5的背離上部金 屬化部51的可具有下部金屬化部的下側(cè)形成功率半導(dǎo)體模塊的下側(cè)的部分。替換于此地， 根據(jù)參照圖8所闡述的原理構(gòu)建的和裝備的陶瓷襯底5也可以被采用在具有底板的功率半 導(dǎo)體模塊中。對此，陶瓷襯底5利用其在圖8中所遮蓋的下部金屬化部與虛線示出的底板9 的上側(cè)91相連。對此所采用的連接層的制造和結(jié)構(gòu)對應(yīng)于在圖2和3中所闡述的連接層 96的制造和結(jié)構(gòu)。圖9示出了具有功率半導(dǎo)體模塊100的部分電路圖的電路圖，該功率半導(dǎo)體模塊 100包含用于整流器電路G的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1和用于逆變器電路W的現(xiàn)代的功率 半導(dǎo)體芯片2。整個電路圖尤其是示出了示例性的三相電網(wǎng)N，利用所述三相電網(wǎng)N，低頻交 流電流(例如具有25Hz、50Hz或者60Hz的三相電流)被提供并且借助整流器電路G為了 提供中間電路電壓Ul(+)-Ul(_)而被整流。整流器電路G針對電網(wǎng)N的每相都包含兩個串 聯(lián)連接的整流器件1，所述整流器件1如所示的那樣可被構(gòu)造為二極管或者可替換地被構(gòu) 造為晶閘管。整流器電路G的整流器件1是具有基于鋁的芯片金屬化部的傳統(tǒng)的緩慢切換 的功率半導(dǎo)體芯片。
通常所需的用于平滑中間電路電壓的中間電路電容器并未示出。這種中間電路電 容器可以在需要時被布置在功率半導(dǎo)體模塊100的殼體的外部或者內(nèi)部。中間電路電壓被處理(aufbereiten)用于提供高頻時鐘控制的、示例性地為三相 的輸出電壓供給Ul、U2、U3。高于電網(wǎng)N的頻率的時鐘頻率例如可以為大于500Hz。該頻 率與逆變器電路的功率半導(dǎo)體芯片2的截止電壓等級有關(guān)。例如，該頻率在3. 3kV的允許 的截止電壓的情況下為500Hz，或者在1. 7kV的允許的截止電壓的情況下為1kHz，或者在 1. 2kV的允許的截止電壓的情況下為2kHz。輸出電壓供給用于驅(qū)動電負(fù)載，例如用于驅(qū)動 電動機(jī)。為了處理中間電路電壓，針對要提供的輸出電壓供給Ul、U2、U3的每個相都設(shè)置 有半橋支路，在該半橋支路上分別施加中間電路電壓。半橋支路中的每個都包括兩個可控 的功率半導(dǎo)體開關(guān)，例如所示的IGBT或者也可以是MOSFET或者JFET，所述可控的功率半導(dǎo) 體開關(guān)的負(fù)載段串聯(lián)連接?？焖偾袚Q的續(xù)流二極管與可控的功率半導(dǎo)體開關(guān)的負(fù)載段的每 個都反并聯(lián)地連接?？煽氐墓β拾雽?dǎo)體開關(guān)和逆變器電路W的續(xù)流二極管是具有基于銅的 芯片金屬化部的現(xiàn)代的快速切換的功率半導(dǎo)體芯片。在根據(jù)圖9中所示的部分電路圖的功率半導(dǎo)體模塊100中，功率半導(dǎo)體模塊100 的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1的所有功率半導(dǎo)體芯片都被布置在第一陶瓷襯底(參見例如 圖1、2和3中的陶瓷襯底幻上，而所有現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2都被布置在第二陶瓷襯底 (參見例如圖1、2和3中的陶瓷襯底4)上。通常，功率半導(dǎo)體模塊100的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1的任意子集都可以被布置在第一陶瓷襯底(參見例如圖1、2和3中的陶瓷襯底3) 上，而功率半導(dǎo)體模塊100的現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2的任意子集都可以被布置在第二陶 瓷襯底(參見例如圖1、2和3中的陶瓷襯底4)上。此外，不同的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1 可以分布式地被布置在兩個或者更多個陶瓷襯底上。相對應(yīng)地同樣適用于不同的現(xiàn)代的功 率半導(dǎo)體芯片2，即不同的現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2可以分布式地被布置在兩個或者更多 個陶瓷襯底上。電網(wǎng)N的相的數(shù)目基本上是任意的。同樣適用于輸出電壓供給Ul、U2、U3的相的 數(shù)目。整流器電路和逆變器電路G、W構(gòu)成的單元的子單元也可以分布到分別帶有自己的殼 體的兩個或者功率半導(dǎo)體模塊上。這種功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)如下原理來實(shí)現(xiàn) 該原理參照圖1至8進(jìn)行了闡述，這的前提條件是在相關(guān)的模塊殼體之內(nèi)設(shè)置有至少一個 帶有基于鋁的芯片金屬化部的傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體芯片1和至少一個帶有基于銅的芯片金 屬化部的現(xiàn)代的功率半導(dǎo)體芯片2。圖10示出了功率半導(dǎo)體模塊100的透視圖。殼體和澆注材料被去除。在共同的底 板9上布置多個陶瓷襯底3、4并且與其上側(cè)91牢固地相連。陶瓷襯底3、4在其上側(cè)上具有 被結(jié)構(gòu)化的金屬化部31或41，以及在其下側(cè)上具有金屬化部(在圖10中被遮擋)。此外， 除了厚的負(fù)載電流連接片50、51、52之外還設(shè)置有連接片53，所述連接片53用于將控制信 號輸送給功率半導(dǎo)體模塊100或者例如提供功率半導(dǎo)體模塊100的狀態(tài)信號或者任意其它 信號。連接片50、51、52、53在任何情況下都用于在殼體之外電接觸功率半導(dǎo)體模塊100。連接片50、51、52、53中的至少單個可以具有彎折的腳部區(qū)域50b、51b (被遮擋)、 52b (被遮擋)或53b，相關(guān)的連接片50、51、52、53利用這些腳部區(qū)域牢固地與陶瓷襯底的 上部金屬化部相連接。作為連接技術(shù)，對此合適的是例如熔融焊接、擴(kuò)散焊接、導(dǎo)電粘合、具 有銀糊的低溫壓力燒結(jié)或者超聲焊接。除了陶瓷襯底3和4(其與前面所描述的陶瓷襯底3或4 一樣被構(gòu)建、被裝配并且 與底板9的上側(cè)91相連接)之外還設(shè)置有其它的陶瓷襯底6，所述其它的陶瓷襯底6同樣 具有被結(jié)構(gòu)化的上部金屬化部61以及(被遮擋的)下部金屬化部，其可以借助熔融焊接 層、擴(kuò)散焊接層、粘合層或者銀燒結(jié)層與底板9的上側(cè)91相連接。陶瓷襯底6被裝備有無 源器件80，在此例如被裝備有NTC溫度感測器。其具有用來將其導(dǎo)電地(例如通過熔融焊 接、擴(kuò)散焊接、導(dǎo)電粘合或者具有銀糊的低溫壓力燒結(jié))與金屬化部61相連接的至少一個 金屬化部。利用本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)在整流器電路的功率半導(dǎo)體芯片和逆變器電路的功率半導(dǎo) 體芯片之間的熱解耦，使得在功率半導(dǎo)體模塊之內(nèi)形成從逆變器電路的功率半導(dǎo)體芯片朝 向整流器電路的溫度梯度。由此，逆變器電路的功率半導(dǎo)體芯片在阻擋層溫度(例如在 175°C或者在200°C時)的情況下運(yùn)行，該逆變器電路的功率半導(dǎo)體芯片的阻擋層溫度明 顯高于整流器電路的功率半導(dǎo)體芯片的阻擋層溫度(例如125°C或者150°C )。
權(quán)利要求
1.一種用于在變頻器中采用的功率半導(dǎo)體模塊，該變頻器具有整流器電路(G)和逆變 器電路(W)，該功率半導(dǎo)體模塊包括-殼體(60)，-第一功率半導(dǎo)體芯片(1)，所述第一功率半導(dǎo)體芯片(1)是整流器電路(G)的組成 部分，并且所述第一功率半導(dǎo)體芯片(1)具有第一半導(dǎo)體本體(10)，所述第一半導(dǎo)體本體 (10)具有上部芯片金屬化部(11)和下部芯片金屬化部(12)；-第二功率半導(dǎo)體芯片O)，所述第二功率半導(dǎo)體芯片(2)是逆變器電路(W)的組成 部分，并且所述第二功率半導(dǎo)體芯片( 具有第二半導(dǎo)體本體(20)，所述第二半導(dǎo)體本體 (20)具有上部芯片金屬化部和下部芯片金屬化部02)；-至少一個陶瓷襯底(3，4，5)；其中，-所述第一功率半導(dǎo)體芯片(1)和所述第二功率半導(dǎo)體芯片(2)被布置在所述殼體 (60)中；-與所述第一功率半導(dǎo)體芯片(1)的上部芯片金屬化部(11)和/或下部芯片金屬化部 (12)分別緊鄰有如下第一連接裝置之一熔融焊接層(15)、鋁比例為鋁的重量百分比為至 少99的基于鋁的接合線(71)；-與所述第二功率半導(dǎo)體芯片(2)的上部芯片金屬化部和/或下部芯片金屬化部 (22)分別緊鄰有如下第二連接裝置之一擴(kuò)散焊接層(16)、含銀的燒結(jié)層、粘合層、銅比例 為銅的重量百分比為至少99的基于銅的接合線(72)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第一功率半導(dǎo)體芯片(1)的下部金屬 化部(12)具有厚度大于Iym或者大于2 μπι的至少一個第一部分層(1 )，所述至少一個 第一部分層(12a)以重量百分比大于99來由鋁制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第一功率半導(dǎo)體芯片(1)的下部 金屬化部(12)借助熔融焊接層(15)與陶瓷襯底(3，5)的上部金屬化部(31，51)相連。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第二功率半導(dǎo)體芯片(2)的 下部金屬化部02)具有厚度大于1 μ m或者大于2 μ m的至少一個第一部分層(22a)，所述 至少一個第一部分層(22a)以重量百分比大于99來由銅制成。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第二功率半導(dǎo)體芯片O)的 下部金屬化部0 借助擴(kuò)散焊接層(16)、粘合層或者借助含銀的燒結(jié)層與陶瓷襯底(4，5) 的上部金屬化部G1，51)相連。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第一功率半導(dǎo)體芯片(1)的 上部金屬化部(11)具有厚度大于Iym或者大于2μπι的至少一個第一部分層(11a)，所述 至少一個第一部分層(Ila)以重量百分比大于99來由鋁制成。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第一接合線(71)被接合到第 一功率半導(dǎo)體芯片(1)的上部金屬化部(11)上，所述第一接合線(71)以重量百分比大于 99. 9來由鋁制成。
8.具有權(quán)利要求6和7的特征的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第一接合線(71)直接接觸第 一功率半導(dǎo)體芯片(1)的上部金屬化部(11)的第一部分層(11a)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第二功率半導(dǎo)體芯片O)的上部金屬化部具有厚度大于1 μ m或者大于2 μ m的至少一個第一部分層(12a)，所述 至少一個第一部分層(12a)以重量百分比大于99來由銅制成。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，接合線(73)被接合到第二 功率半導(dǎo)體芯片(1)的上部金屬化部上，所述接合線(73)以重量百分比大于99. 9來 由銅制成。
11.具有權(quán)利要求9和10的特征的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第二接合線(72)直接接觸 第二功率半導(dǎo)體芯片O)的上部金屬化部的第一部分層(21a)。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，至少一個陶瓷襯底(3，4，5) 的布置有至少一個功率半導(dǎo)體芯片(1，2)的每個陶瓷襯底在背離上部金屬化部(11，21)的 一側(cè)上具有下部金屬化部(12，22)，所述下部金屬化部(12,2 形成功率半導(dǎo)體模塊(100) 的下側(cè)，其中在多個陶瓷襯底(3，4)的情況下，所述多個陶瓷襯底(3，4)的下部金屬化部 (12，22)彼此相間隔。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其具有金屬的底板(9)，所述底 板(9)具有上側(cè)(91)和下側(cè)(92)，其中底板(9)的下側(cè)(92)形成功率半導(dǎo)體模塊(100) 的下側(cè)(IOOb)的至少一部分，并且其中至少一個陶瓷襯底(3，4，5)的布置有至少一個功率 半導(dǎo)體芯片(1，2)的每個陶瓷襯底的下部金屬化部(12，22)牢固地與底板(9)的上側(cè)(91)相連。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第一功率半導(dǎo)體芯片(1)被布置在 至少一個陶瓷襯底(3，4)的第一陶瓷襯底C3)上，并且其中，第一陶瓷襯底C3)在下部金屬 化部(3 上借助熔融焊接層牢固地與底板(9)的上側(cè)(91)相連。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第一功率半導(dǎo)體芯片(1)的下部金 屬化部(1 借助熔融焊接層牢固地與第一陶瓷襯底(3)的上部金屬化部(31)相連。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第二功率半導(dǎo)體芯片 (2)被布置在至少一個陶瓷襯底(3，4)的第二陶瓷襯底(4)上，并且其中，第二陶瓷襯底 (4)在下部金屬化部0 上借助擴(kuò)散焊接層、粘合層或者借助含銀的燒結(jié)層牢固地與底板 (9)的上側(cè)(91)相連。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第二功率半導(dǎo)體芯片O)的下部 金屬化部0 借助擴(kuò)散焊接層、粘合層或者借助含銀的燒結(jié)層牢固地與第二陶瓷襯底(4) 的上部金屬化部Gl)相連。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至17之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，底板(9)具有至少一個 第一段(9a)和第二段(％)，其中-第一陶瓷襯底C3)被布置在第一段(9a)上，在所述第一陶瓷襯底C3)上布置第一功 率半導(dǎo)體芯片(1)；-第二陶瓷襯底(4)被布置在第二段(9b)上，在所述第二陶瓷襯底(4)上布置第二功 率半導(dǎo)體芯片(2)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第一段(9a)和第二段(9b)—體式 地被構(gòu)造并且借助一個或者多個連接接片(94)彼此連接。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，第一段(9a)和第二段(9b)彼此相 間隔。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，整流器電路(G)的所有 功率半導(dǎo)體芯片(1)被布置在共同的第一陶瓷襯底(3)上并且利用下部芯片金屬化部(12) 分別借助熔融焊接層與共同的第一陶瓷襯底(3)的上部金屬化部(31)相連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至21之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，逆變器電路(W)的所有 功率半導(dǎo)體芯片(2)被布置在共同的第二陶瓷襯底(4)上并且利用下部芯片金屬化部02) 分別借助擴(kuò)散焊接層、粘合層或者借助含銀的燒結(jié)層與共同的第二陶瓷襯底的上部金 屬化部Gl)相連接。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至13之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其包括帶有上部金屬化部(51) 的共同的第三陶瓷襯底(5)，其中-第一功率半導(dǎo)體芯片(1)的下部金屬化部(12)借助熔融焊接層與共同的第三陶瓷襯 底(5)的上部金屬化部(51)相連；-第二功率半導(dǎo)體芯片O)的下部金屬化部02)借助含銀的燒結(jié)層、粘合層或者借助 擴(kuò)散焊接層與共同的第三陶瓷襯底(5)的上部金屬化部(51)相連接。
24.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，-整流器電路(G)的所有布置在殼體(60)中的功率半導(dǎo)體芯片⑴具有鋁比例為重量 百分比分別大于50的上部芯片金屬化部(11)和下部芯片金屬化部(12)；-逆變器電路(W)的所有布置在殼體(60)中的功率半導(dǎo)體芯片( 具有銅比例為重量 百分比分別大于50的上部芯片金屬化部和下部芯片金屬化部02)。
25.根據(jù)權(quán)利要求M所述的功率半導(dǎo)體模塊，其中，-整流器電路(G)的所有功率半導(dǎo)體芯片(1)在空間上以第一組而逆變器電路(W)的 所有功率半導(dǎo)體芯片(2)在空間上以第二組被布置在共同的陶瓷襯底(5)上；-在第一組的功率半導(dǎo)體芯片(1)和第二組的功率半導(dǎo)體芯片(2)之間的最小距離 (d)大于或者大于10_。
26.一種用于驅(qū)動功率半導(dǎo)體模塊的方法，其具有如下步驟-提供根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的功率半導(dǎo)體模塊(100)；-在阻擋層溫度小于150°C或者小于125°C的情況下驅(qū)動第一功率半導(dǎo)體芯片(1)；-在阻擋層溫度大于150°C的情況下驅(qū)動第二功率半導(dǎo)體芯片O)。
27.根據(jù)權(quán)利要求沈所述的用于驅(qū)動功率半導(dǎo)體模塊的方法，其中，-整流器電路(G)的所有布置在殼體(60)中的功率半導(dǎo)體芯片(1)在阻擋層溫度小于 150°C或者小于125°C的情況下運(yùn)行；-逆變器電路(W)的所有布置在殼體(60)中的功率半導(dǎo)體芯片(2)在阻擋層溫度大于 150°C的情況下運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體模塊和驅(qū)動功率半導(dǎo)體模塊的方法。功率半導(dǎo)體模塊包括殼體、至少一個陶瓷襯底、布置在殼體中的第一功率半導(dǎo)體芯片以及第二功率半導(dǎo)體芯片，第一功率半導(dǎo)體芯片是整流器電路的組成部分并且具有帶有上部和下部芯片金屬化部的第一半導(dǎo)體本體，第二功率半導(dǎo)體芯片是逆變器電路的組成部分并且具有帶有上部和下部芯片金屬化部的第二半導(dǎo)體本體。與第一功率半導(dǎo)體芯片的上部和/或下部芯片金屬化部分別緊鄰有第一連接裝置。與第二功率半導(dǎo)體芯片的上部和/或下部芯片金屬化部分別緊鄰有第二連接裝置。在方法中，第一功率半導(dǎo)體芯片在阻擋層溫度小于150℃的情況下運(yùn)行，第二功率半導(dǎo)體芯片在阻擋層溫度大于150℃的情況下運(yùn)行。
文檔編號H01L23/48GK102054830SQ201010502188
公開日2011年5月11日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
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