本發(fā)明涉及功率半導體模塊。本發(fā)明具體涉及生成功率半導體模塊的改進方法。

背景技術：

在高功率半導體模塊的生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的焊接用作將端子固定到襯底的常規(guī)技術。即使焊接適合于一些應用，但是以典型富鉛或富錫焊料材料的其有限熱導率的高同系溫度（homologuestemperature）限制熱循環(huán)能力，并且因而在情況下可要求特定應用的備選方案。實際上，焊接端子常常易于微結構粗化，其可導致脫層。

因此，將端子連接到襯底現(xiàn)在常常通過超聲熔接(usw)來實現(xiàn)，因為這個技術據(jù)報道具有改進可靠性。在超聲熔接中，可省略填充劑材料(焊料)，因為接合配對部（partner）本身組成良好接合處。但是，超聲熔接也具有待改進的潛力。作為示例，超聲熔接易于在陶瓷襯底上(例如在氮化鋁(aln)襯底上)造成貝殼狀裂紋。實際上，陶瓷面臨極端張應力，其超過陶瓷材料本身、例如aln的斷裂強度，其中應力集中可在端子腳的邊緣處發(fā)生。這能夠是裂紋形成的可能原因。

這類貝殼狀裂紋就功率模塊的可靠性而論是有害的，因為它通常能夠引起隔離斷裂。

克服這個缺點的一種方式是要適配所使用參數(shù)(例如端子的材料的硬度、能量、壓力、幅度、熔接圖案（pattern）或者腳厚度)，以便降低裂紋形成。雖然能夠降低裂紋發(fā)生的風險，但是這種方式無法完全避免裂紋形成的風險。

因此，另外的方式是已知的，以便克服裂紋形成。

例如，設法將端子熔接到具有更高斷裂強度的陶瓷、例如氮化硅(sin)上。但是，氮化硅因熱阻(rth)的增加而在所有應用中不是兼容的，并且它還可損壞基板拱度（baseplatebow）的穩(wěn)定性。

另外的方式是要提供和優(yōu)化金屬化部與陶瓷之間的活性金屬釬焊層（amb）。但是，這類襯底主要提供襯底的材料清單(bom)的至少10-20%增加。

從ep2219220a2已知的是另外的由襯底所形成的結構，其包含散熱器板、散熱器板上的絕緣層以及絕緣層上的襯墊。此外，提供一種端子，其超聲接合到襯墊。由軟金屬或高滑動金屬、例如金所形成的薄金屬層定位成略低于端子邊緣，以便置于端子與襯墊之間。但是，金涂層具有高成本，并且因此不是優(yōu)選的。

在ep0886894a2中在圖7和圖9a中，公開一種用于形成功率半導體模塊的半成品。

此外，在y.wang等人的“challengesandtrendsofhighpowerigbtmodulepackaging”(2014ieeeconferenceandexpotransportationelectrificationasia-pacific(itecasiapacific)，2014年8月31日)中，示出一種通用高功率igbt模塊。

kazumasakido等人的“developmentofcopper-copperbondingbyultrasonicweldingforigbtmodules”(electronicmanufacturing(iemt).201034^thieee/cpmt，2010年11月30日)公開一種通過大電流高可靠性igbt模塊的銅端子的超聲熔接的銅-銅接合技術。

此外，在davidguillon的“terminalcoatedwithanoblematerialinapower-electronicsmoduleoptimizedforultrasonicwelding”(ip.com，2015年4月24日)中，示出降低在超聲熔接過程內通過陶瓷襯底經(jīng)受的應力的解決方案。該方法基于使用具有低摩擦系數(shù)的涂層材料，從而引起熔接界面內的溫度的平滑上升，此外，涂層材料應當具有到銅材料中的高擴散系數(shù)，以便超聲能量在熔接界面內被吸收而沒有直接傳遞到陶瓷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要提供一種用于生成功率半導體模塊的方法，其至少部分避免現(xiàn)有技術的缺點中的一個。本發(fā)明的目的具體來說是要提供一種用于生成功率半導體模塊的方法，其允許通過超聲熔接將端子接合到襯底，從而允許襯底中發(fā)生裂紋的降低的風險。

這些目的至少部分通過如獨立權利要求1所述的生成功率半導體模塊的方法來解決。在從屬權利要求書中給出有利實施例。

生成功率半導體模塊的方法包括下列步驟：

a)提供載體層；

b)提供具有端子連接區(qū)的襯底；

c)通過形成焊料層來將襯底焊接到載體；其中

d)焊料層被形成，使得預定義空腔提供在焊料層中與襯底相鄰，并且定位成與端子連接區(qū)相對；以及

e)將端子熔接到襯底的端子連接區(qū)。

這種方法提供針對功率半導體模塊的生成以及具體來說針對將端子熔接到襯底的步驟的顯著優(yōu)點。

按照本發(fā)明的功率半導體模塊將具體意味著一種布置，其基于一個或多個功率半導體裝置，并且優(yōu)選地可用作功率電子器件中的開關或整流器。功率半導體裝置的非限制性示例包括柵極關斷晶閘管、二極管、晶閘管等等。在本發(fā)明內，功率半導體模塊特別是包括具有金屬化部(其以其正面接合到管芯、即功率半導體裝置和/或芯片和/或以其背面接合到基板，并且其中襯底金屬化部連接到端子腳)的襯底的那些功率半導體模塊。

實際上，所生成的功率半導體模塊通常包括襯底。襯底在其正面上包括如本領域通常已知的多個電路通路。這類電路通路例如可從金屬化部、例如從銅金屬化部來形成。襯底金屬化部可通過例如如本領域通常已知的物理或化學沉積方法來布置在具體的陶瓷襯底主層上。連接到襯底金屬化部的是至少一個管芯和/或功率半導體裝置以及是另外一個或多個端子和/或電連接器。

襯底通?？梢允潜绢I域已知的用于功率半導體模塊的襯底。例如，襯底可包括絕緣材料、例如陶瓷材料。作為非限制性示例，襯底的主層可由氮化鋁、氮化硅或氧化鋁來形成。

此外，為了去除在功率半導體模塊中或者具體來說是在功率半導體裝置中生成的熱量，襯底可連接到載體層、例如連接到基板。基板常常由非貴金屬、例如銅或alsic(其均可涂敷有例如鎳)來形成，并且可充當散熱器，由此從電路通路中有效地去除熱量。此外，襯底可在其中基板所接合到的區(qū)域處涂敷有非貴金屬、例如銅。

一般來說，在其正面處包括其襯底金屬化部的襯底在其背面經(jīng)由焊接過程來連接到載體層、例如基板。因此，包括襯底和載體層的布置包括襯底與載體層之間的焊料層。

此外，為了生成功率半導體模塊，端子經(jīng)由其端子腳、經(jīng)由其襯底金屬化部來接合到襯底。

詳細來說，按照本方法并且為了生成功率半導體模塊，該方法按照步驟a)首先包括用來提供載體層。載體層具體可以是如以上所述的基板，其可由銅或alsic來形成，并且通常是本領域的技術人員眾所周知的。

此外，按照本方法的步驟b)，該方法還包括提供具有端子連接區(qū)的襯底的步驟。襯底也如本領域一般已知的那樣形成，并且可包括主層，其由電絕緣材料、具體來說是陶瓷材料來形成，以及在那個主層上還可包括示范地由銅所形成的一個或多個金屬化部。襯底還包括端子連接區(qū)。這種位置具體位于襯底的金屬化部上并且因而位于其正面處。由此，端子連接區(qū)是端子或端子腳固定到襯底的那個位置并且具體來說與端子的相應連接區(qū)相比具有相同尺寸。換言之，端子連接區(qū)是在端子腳固定到襯底時意圖與端子或端子腳相接觸的襯底的那個位置或區(qū)域。

按照本方法的步驟c)，該方法還包括通過形成焊料層將襯底焊接到載體層的步驟。按照本發(fā)明的焊接由此可以通常是一種過程，其中兩個接合配對部通過熔合可流動焊接材料(其在焊接步驟之后硬化并且因而形成穩(wěn)定連接)來接合在一起。因此，優(yōu)選的是，焊接材料具有比待焊接和/或接合的組件要低的熔點。焊接材料和/或焊料因而可由如本領域通常已知的特別低熔融材料來形成。作為非限制性示例，焊接材料可由鉛來形成，或者優(yōu)選地可由無鉛材料來形成。但是，通常可使用任何材料，例如可熔合金，其在例如低于360℃、優(yōu)選地低于300℃的適當范圍中但是也在超過450℃的范圍中熔融。

相應地，焊料層位于襯底與載體層之間，并且因而與端子連接區(qū)相對。它包括硬化焊接材料或者由其組成。

焊接過程可用于還原氣氛，例如在甲酸氣體、合成氣體、即甲酸和氮、氫或氨的混合物中。具體來說，上述還原氣體能夠特別有效地防止焊接過程期間對焊料層的非預期效果，以及能夠建立機械穩(wěn)定和電和熱傳導連接，而無需使用除了還原氣氛之外的任何焊劑（flux）。

焊接技術的使用由此允許有效并且經(jīng)濟的連接過程，由此允許相應組件、例如比如基板和襯底的穩(wěn)定并且可靠連接。

關于焊料層并且按照本方法的步驟d)，焊料層被形成，使得預定義空腔提供在焊料層中與襯底相鄰，并且定位成與端子連接區(qū)相對。換言之，焊料材料沒有提供在焊料層的每個位置處，但是焊料層的某些位置沒有填充有焊料層，因而形成空腔。這些空腔定位成與端子連接區(qū)相對，并且因而面向襯底的背面，以及還位于襯底的緊鄰、即與襯底相鄰。換言之，空腔被定位，使得襯底的所定義區(qū)域沒有與焊料材料相接觸，而是與此相反，針對焊料材料被暴露。這個暴露位置由此與端子連接區(qū)相對，并且因而在本發(fā)明的意義上至少部分與端子連接區(qū)直接相對。

空腔還被預先定義，并且其大小以及位置至少在焊接過程開始之前明確定義的有效量中。因此，空腔不是通過超聲熔接過程的負面影響來形成，而是焊料層的預期特征。相應地，這個步驟具體包括確保一個或多個空腔(取決于端子的數(shù)量)在焊料層中在預定義位置處來形成并且還具有預定義尺寸的措施。由此可優(yōu)選的是，為每個端子提供一個空腔，并且因而與每個端子連接區(qū)相對。

按照另外的步驟e)，該方法包括將端子熔接到襯底的端子連接區(qū)的步驟。按照特別優(yōu)選方式，使用超聲熔接過程。

將端子熔接到襯底和/或襯底金屬化部的這個步驟允許按照極有利方式來形成端子和/或端子腳與襯底和/或襯底金屬化部之間的接合處。

當使用熔接技術、例如超聲熔接時接合合作項可塑地變形以形成接合處。參照這個，熱量可連同超聲振動一起施加，以便如本領域通常已知地那樣形成連接。作為非限制性示例，在端子腳和襯底金屬化部兩者均由銅形成的情況下，可形成穩(wěn)定并且可靠銅-銅接合。

熔接允許無需附加材料、例如焊料材料來形成連接，并且還提供極可靠并且具有良好導電率的連接。

但是，一般來說，如從現(xiàn)有技術已知，通過特別是使用熔接技術將端子連接到襯底金屬化部，裂紋可出現(xiàn)在襯底中，特別是在襯底包括陶瓷材料的情況下。

按照本方法并且具體由于如下事實，可以以令人驚訝的方式防止這類缺點：按照本方法的步驟d)，焊料層被形成，使得預定義空腔提供在焊料層中與襯底相鄰，并且定位成與端子連接區(qū)相對。

實際上，作為‘有目的的’空隙區(qū)域提供在焊料層中的空腔被理解為具有應力松弛效果。在沒有局限于理論的情況下，假定空腔的體積允許陶瓷材料以彈性的方式局部彎曲，其幫助防止裂紋。因此，在焊料層中提供空腔有效地防止由熔接過程、特別是超聲熔接所引起的襯底中的裂紋的形成。

所述一個或多個空腔(取決于待連接端子的數(shù)量)的生成還是可適用的，而沒有意味著顯著附加成本。詳細來說，不要求或者至少不要求顯著過程變化，因為焊料層中的空腔能夠易于在功率半導體模塊的生產(chǎn)方法期間采用所提供部件以任何方式來創(chuàng)建。例如，可使用焊料阻擋圖案（solderstoppattern）。這種圖案可提供例如在載體層上、例如基板或襯底上，并且因而可從相應供應商來提供。此外，與腳區(qū)域相對的鋁絲焊隔離片通常有可能創(chuàng)建空腔，使得絲焊阻止焊料流動到預期空腔的位置。由于鋁沒有被大多數(shù)焊料潤濕，所以可形成空腔。

因此，應當采取的唯一措施是要適配載體層或襯底的表面，使得焊料將不會或者較少與其接觸。

因此，通過使用這種方法，成本可保持為低，因為不要求特級陶瓷以用于防止襯底中的裂紋。關于bom(材料清單)，可實現(xiàn)示范的10至20%成本節(jié)省。

此外，由于可安全地避免裂紋，所以通過例如以上所述的方法所生成的所生成的功率半導體模塊可具有高質量并且具有高健壯性。

這可能是事實，甚至在使用強熔接參數(shù)(例如300w或者甚至更高、例如350w，2.5巴的壓力或者甚至更高、例如3巴，以及90%幅度)的情況下。

總之，本發(fā)明提供一種生成功率半導體模塊的方法，其執(zhí)行得特別節(jié)省成本，并且允許高質量模塊的可靠生成。

按照實施例，空腔沿焊料層的整個厚度延伸。這個實施例允許襯底中的裂紋的特別有效降低或防止。此外，這種空腔特別易于制備，因為無需采取特殊措施以便獲得空腔的所定義高度。沿焊料層的整個厚度延伸的空腔由此將意味著一種空腔，其具體在與載體層和襯底的表面垂直的方向上從載體層、例如從基板延伸到襯底。

按照另外的實施例，空腔具有在與焊料層的平面平行的平面中的擴張，其與端子連接區(qū)的平行擴張相比位于≥50%至≤200%、例如≥70%至≤130%、例如≥90%至≤110%、具體來說是100%的范圍中。出乎意料地，具有這類尺寸的空腔已經(jīng)是足夠的，以便獲得裂縫形成的顯著防止，而沒有不利地影響整個所生成的布置的穩(wěn)定性和健壯性。與焊料層的平面平行的平面由此將意味著一種平面，其與襯底和基板的表面平行，并且因而布置在它們之間。它可通過與焊料層的厚度具有直角的兩個矩形方向來定義。換言之，這種平面可與端子和襯底的連接表面和/或端子連接區(qū)平行。端子腳的典型相應大小或延長可位于16mm²的范圍中。因此，空腔的相應延長的16mm²的≥50%至≤200%的示范范圍已經(jīng)可以是充分的。

但是，示范地，空腔可具有相應擴張，其可以是更大的，例如在20mm²或36mm²的范圍中。

由于空腔具有相當小的尺寸的事實，模塊的穩(wěn)定性沒有顯著降低。作為示范值，預定義空腔可形成大約比焊料的5%要小的量。因此變得清楚的是，穩(wěn)定性沒有顯著降低，并且因空隙引起的產(chǎn)量損失的風險能夠保持在最小。

按照另外的實施例，通過使用在載體層和襯底的至少一個上所形成的涂層來定義和形成空腔。換言之，涂層將通過將涂層的大小施加到襯底或基板(這又引起在焊料層中在相應位置處的空腔的形成)來定義涂層的位置和大小。這種涂層例如可以是稱作焊料掩膜或焊料阻擋掩膜的材料，并且可形成為聚合物材料的薄漆狀層。非限制性示例包括環(huán)氧樹脂液體、液體感光焊料掩膜(lpi)或者非感光焊料掩膜等等。這種材料的優(yōu)點還在于，這些材料是以低價格市場銷售的，從而允許按照本發(fā)明的方法按照節(jié)省成本方式來實現(xiàn)。除此之外，這類材料在情況下以任何方式用于形成功率半導體模塊的過程中，以便在將襯底與其焊接之前遮蔽基板。因此，通過簡單地改變所施加焊料阻擋材料的幾何結構，使得包括與端子連接區(qū)相對的相應位置，空腔可按照簡易并且明確定義的方式來形成。

這類材料的施加由此可通過使用不同過程(其中每個允許形成在所定義位置處的所定義空腔)來實現(xiàn)。示例包括絲網(wǎng)或模版印刷。

按照另外的實施例，襯底包括氮化鋁。特別是，包括氮化鋁的襯底組合例如維持高電壓、高電絕緣強度、良好熱行為和低成本的多個有利特征。因此，特別是氮化鋁常常用作功率半導體模塊領域中的襯底，但是，其常常因熔接過程而特別易受裂紋形成。按照本發(fā)明，甚至當使用氮化鋁時，裂紋形成可顯著降低。

關于按照本發(fā)明的方法的其他優(yōu)點或特征，參照半成品、附圖以及參照附圖描述。

用于形成功率半導體模塊的半成品包括載體層和襯底，其中襯底通過焊料層來連接到載體層，其中襯底包括用于將端子與其連接的端子連接區(qū)，端子連接區(qū)定位成與焊料層相對，其中空腔提供在焊料層中，定位成與襯底相鄰并且與端子連接區(qū)相對。還可提供的是，半成品由上述部件組成。

這種半成品允許可靠地生成具有高質量的功率半導體模塊。

實際上，半成品是一種布置，其包括載體層、例如基板、襯底和連接載體層與襯底并且因而位于襯底與載體層之間的焊料層或者由其組成。此外，所定義的空腔提供在焊料層中與端子連接區(qū)相對。

在沒有或者裂紋出現(xiàn)在襯底的陶瓷材料中的至少顯著降低風險的情況下，這種半成品允許將端子熔接到襯底和/或襯底金屬化部。

實際上，在特別是通過使用超聲熔接將端子熔接到端子連接區(qū)時，可有效地防止裂紋出現(xiàn)。因此，在端子沒有熔接到襯底時并且因而在熔接過程之前的狀態(tài)中，半成品包括與一個或多個端子連接區(qū)相對的一個或多個空腔，具體來說，每個端子連接區(qū)一個空腔。因此，半成品可包括端子，其可接觸襯底在端子連接區(qū)處，但是其沒有被連接并且因而沒有熔接到襯底。因此，端子可寬松地存在于襯底的端子連接區(qū)處。

襯底包括氮化鋁。特別是，這種襯底組合維持高電壓、高電絕緣強度、良好熱行為和低成本的多個有利特征。因此，特別是氮化鋁常常用作功率半導體模塊領域中的襯底，但是，其常常因熔接過程而特別易受裂紋形成。但是，甚至當使用氮化鋁時，按照本發(fā)明，裂紋形成可顯著降低。

可優(yōu)選的是，焊料層包括從由下列項所組成的組中選取的材料：鉛(pb)、錫(sn)、銀(ag)、銻(sb)、金(au)、鍺(ge)、銦(in)、鉍(bi)、銅(cu)或者包含上述材料的至少一個的混合物或合金，例如非限制性示例中的snpb、snsb、ausn、auge、in、inpb、inag、insn、bisn、snag、pbsnag、pbinag或snagcu。特別是，上述化合物可確保材料可在適當條件下熔融，并且還可允許良好潤濕性質。因此，特別可靠的焊料連接可按照這個實施例來形成。

載體層具體可以是例如以上所述的基板，其可由銅(cu)或碳化硅鋁(alsic)來形成，并且通常是本領域的技術人員眾所周知的。

關于半成品的另外優(yōu)點或特征，參照方法、附圖以及參照附圖的描述。

附圖說明

通過參照以下所述實施例進行的說明，本發(fā)明的這些方面及其他方面將會顯而易見。

附圖中：

圖1示出半成品的示范實施例；

圖2示出作為具有預定義空腔的半成品的部件的到焊料層上的頂視圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將詳細參照附圖所圖示的示范實施例。這個示例作為說明來提供，而不是意味著作為限制。預計本公開包含另外的修改和變更。

圖1示出半成品10的示例。半成品10可用于形成功率半導體模塊。它包括載體層12和襯底14。

載體層12具體可以是基板，并且可由銅或碳化硅鋁來形成，并且通常是本領域的技術人員眾所周知的。

襯底14在其正面上包括例如本領域通常已知的多個電路通路，并且在圖中沒有具體可視化。這類電路通路例如可由金屬化部16、例如由銅金屬化部(其在襯底主層18上形成)來形成。襯底14通?？梢允潜绢I域已知的用于功率半導體模塊的任何襯底。例如，襯底14可包括具體形成主層18的絕緣材料、例如陶瓷材料。作為非限制性示例，襯底的主層18可由氮化鋁、氮化硅或氧化鋁來形成。

襯底14還通過焊料層20來連接到載體層12?？蓛?yōu)選的是，形成焊料層20的焊接材料從由下列項所組成的組中選?。恒U(pb)、錫(sn)、銀(ag)、銻(sb)、金(au)、鍺(ge)、銦(in)、鉍(bi)、銅(cu)或者包含上述化合物的至少一個的混合物或合金，例如非限制性示例中的snpb、snsb、ausn、auge、in、inpb、inag、insn、bisn、snag、pbsnag、pbinag或snagcu。

此外，襯底14包括用于將端子24與其連接的端子連接區(qū)22。例如在圖1中能夠看到，端子連接區(qū)22定位成與焊料層20相對，并且具體是襯底金屬化部16的一部分。能夠進一步看到，端子24位于端子連接區(qū)22處。但是，在這種端子24存在的情況下，后者沒有焊接到襯底16，而是寬松地處于端子連接區(qū)22上。

端子24可通過端子腳26來接觸襯底金屬化部16。接觸到襯底14和/或襯底金屬化部16的端子腳26的區(qū)域對應于端子連接區(qū)22的區(qū)域。

半成品10還包括焊料層20中的空腔28。能夠看到，空腔28定位成與襯底14相鄰并且與端子連接區(qū)22相對。

示出的是，空腔28沿焊料層20的整個厚度延伸。此外，空腔在與焊料層20平行的平面30中具有擴張，其與端子連接區(qū)22并且因而端子腳26的平行擴張相比位于≥50%至≤200%的范圍中。按照圖1，空腔28的擴張比端子連接區(qū)22略小。

這種半成品10可從下列步驟來形成：

a)提供載體層12；

b)提供具有其端子連接區(qū)22的襯底14；以及

c)通過形成焊料層20將襯底14焊接到載體層12；其中

d)焊料層20被形成，使得空腔28被提供成與襯底14相鄰，并且定位成與端子連接區(qū)20相對。

為了生成功率半導體模塊10，下列步驟e)可被包括，并且具體可在步驟d)之后實現(xiàn)：具體通過超聲熔接將端子24熔接到襯底14的端子連接區(qū)22。

為了生成功率半導體模塊10，可包含另外的步驟，例如將管芯接合到金屬化部16。但是，另外的步驟是本領域眾所周知的，并且因而不作詳細描述。

圖2示出在焊料層20上的頂視圖。能夠清楚地看到，焊料層20包括空腔28，所述空腔是存在的，當焊料層20存在于襯底14鄰近時，與相應端子連接區(qū)22相對。

雖然在附圖和以上描述中詳細圖示和描述了本發(fā)明，但是這種說明和描述被認為是說明性或示范性而不是限制性的；本發(fā)明并不局限于所公開的實施例。從研究附圖、本公開和所附權利要求書，對所公開的實施例的其他變更在實施要求保護的本發(fā)明中通過本領域的技術人員能夠理解并且實現(xiàn)。在權利要求書中，詞語“包括”并不排除其他元件或步驟，以及不定冠詞“一”或“一個”并不排除多個。在互不相同的從屬權利要求中陳述某些措施的事實并不表示這些措施的組合不能有利地使用。權利要求書中的任何參考符號不應當被理解為限制范圍。

參考符號列表

10半成品

12載體層

14襯底

16金屬化部

18主層

20焊料層

22端子連接區(qū)

24端子

26端子腳

28空腔

30平面。