具有两种不同灌封材料的半导体功率模块及其制造方法与流程
1.本公开涉及一种半导体功率模块及其制造方法。
背景技术：
2.在半导体封装中，热量可能由半导体管芯生成。对于高功率半导体封装，由半导体管芯或芯片生成的热量可能非常高，因此需要将热量有效地从半导体封装散发到环境中。为了散发过多的热量，可以采用底侧冷却或顶侧冷却形式的单侧冷却或包括底侧冷却和顶侧冷却的双侧冷却。所有这些变体包括从半导体管芯到应用于半导体封装的一个或多个热沉的垂直热流。
3.用于高达6500v的高电压应用和高达2000a及以上的高电流应用的半导体功率模块基于半导体设备(如，igbt、二极管或其他半导体设备(例如，sic mosfet、gan或gaas半导体))，所述半导体设备使用金属线接合部和/或电源端子安装在陶瓷衬底上，以控制客户应用中的半导体设备。如果模块没有基板或安装在基板上的衬底不止一个，则模块组件使用连接到衬底的塑料壳体。电绝缘由衬底的陶瓷和主要基于硅胶或其他有机材料(例如环氧树脂或丙烯酸酯)的灌封材料(potting material)确保。
4.在功率模块的操作期间，不同的部件(线接合部、电源端子)可以被加热到高达200℃，使得该温度水平也被施加到灌封材料。灌封材料对一定水平的温度应用具有限制，因为如果应用使用200℃或更高温度，聚合物会非常快速地降解，从而导致更高的重量损失效应、断裂伸长率的降低、以及由于氧化效应而增加的硬度，这导致灌封材料中形成裂纹，从而具有更高的电绝缘失效的风险。
5.可以在灌封材料中施加特殊添加剂(如，热稳定剂)，以减少老化效应，但通常在200少c时，降解效应足够强以降低客户应用期间功率模块的绝缘性能。
6.第一代igbt半导体功率设备的操作温度在几十年前被规定为125几十，并且现在从一代芯片到下一代芯片不断增加，使得最近的技术使用175技c操作，并且很快就会应用200会应。电源端子和线接合部加热到比半导体操作温度高约25高约，使得对于芯片处的175的c，线接合部处于200合c的操作水平，并且在芯片处的200部半，线接合部将接近225部半，这是灌封材料无法做到的。
7.对于这些和其他原因，需要本公开。
技术实现要素：
8.本公开的第一方面涉及一种半导体功率模块，包括：绝缘内插器，包括设置在下金属层、第一上金属层和第二上金属层之间的绝缘层；设置在第一上金属层上的半导体晶体管管芯；连接半导体晶体管管芯与第二上金属层的电连接器；包围绝缘内插器和半导体晶体管管芯的塑料壳体；第一灌封材料，至少覆盖半导体晶体管管芯和电连接器的选择性部分；以及施加在第一灌封材料上的第二灌封材料；其中，第一灌封材料和第二灌封材料彼此不同。
9.本公开的第二方面涉及一种用于制造半导体功率模块的方法，该方法包括：提供绝缘内插器，绝缘内插器包括设置在下金属层、第一上金属层和第二上金属层之间的绝缘层；在第一上金属层上设置半导体晶体管管芯；用电连接器连接半导体晶体管管芯与第二上金属层；用塑料壳体包围绝缘内插器和半导体晶体管管芯；用第一灌封材料覆盖半导体晶体管管芯和电连接器的选择性部分；以及将第二灌封材料到第一灌封材料上，其中第一灌封材料和第二灌封材料彼此不同。
附图说明
10.包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入并构成本说明书的一部分。附图示出了实施例并且与描述一起用于解释实施例的原理。其他实施例和实施例的许多预期优点将容易理解，因为它们通过参考以下具体实施方式变得更好理解。
11.附图的元件相对于彼此不必成比例。相同的附图标记表示对应的相似部分。
12.图1以截面侧视图示出了根据第一方面的半导体功率模块的示例。
13.图2示出了描绘与其他材料相比的示例性第一灌封材料的重量损失的图，该重量损失取决于功率模块的操作时间。
14.图3示出了描绘与另一种材料相比的示例性第一灌封材料的热重分析(tga)的图。
15.图4示出了用于说明根据第二方面的制造半导体功率模块的方法的流程图。
具体实施方式
16.在下面的具体实施方式中，参考了附图，这些附图形成了本说明书的一部分，并且在附图中通过说明的方式示出了其中可以实践本公开的特定实施例的方式。在这点方面，诸如“顶部”、“底部”、“前”、“后”等的方向性术语是参考所描述的(一个或多个)图的取向使用的。因为实施例的部件可以以许多不同的取向定位，所以方向性术语用于说明的目的并且绝不是限制性的。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下具体实施方式不应被理解为限制意义，并且本公开的范围由所附权利要求限定。
17.应当理解，本文描述的各种示例性实施例的特征可以彼此组合，除非另有特别说明。
18.如在本说明书中采用的，术语“接合”、“附接”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”并不意在表示元件或层必须直接接触在一起；中间元件或层可以分别提供在“接合”、“附接”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间。然而，根据本公开，上述术语还可以可选地具有特定含义，即元件或层直接接触在一起，即，分别在“接合”、“附连”、“连接”、“耦合”和/或“电连接/电耦合”的元件之间没有设置中间元件或层。
19.此外，关于形成或位于表面“上方”的零件、元件或材料层使用的词语“上方”在本文中可以用于表示零件、元件或材料层“间接地”位于(例如，放置、形成、沉积等)隐含表面上，其中一个或多个附加零件、元件或层布置在隐含表面与零件、元件或材料层之间。然而，关于形成或位于表面“上方”的零件、元件或材料层使用的词语“上方”还可以可选地具有特定含义，即零件、元件或材料层“直接地”位于(例如，放置、形成、沉积等)隐含表面上，例如，与隐含表面直接接触。
20.图1示出了半导体功率模块的示例。
21.如图1所示的半导体功率模块10包括：绝缘内插器1，绝缘内插器1包括设置在下金属层1a、第一上金属层1b和第二上金属层1c之间的绝缘层；设置在第一上金属层1b上的半导体晶体管管芯2；连接半导体晶体管管芯2与第二上金属层1c的电连接器3；包围绝缘内插器1和半导体晶体管管芯2的壳体4。壳体4可以例如是塑料壳体。在图1的实施例中，电连接器3由接合线3给出。替代地，也可以使用夹子或带子作为电连接器。
22.图1的半导体功率模块还包括：覆盖半导体晶体管管芯2和接合线3的第一灌封材料5、以及施加到第一灌封材料5上的第二灌封材料6，其中第一灌封材料5和第二灌封材料6彼此不同。
23.图1的半导体功率模块还可以优选地包括金属基板7，其中在基板7的上主表面上通过焊料接合层8安装有内插器1，并且在基板7的下主表面上通过导热和电绝缘膏安装有热沉9。冷却介质12流过热沉9。
24.第一灌封材料5优选地以涂层或球状顶部的形式覆盖在半导体管芯2和接合线3上，使得第一灌封材料5的量小于或远小于第二灌封材料6的量。在图1的实施例中，第二灌封材料6以这样的方式施加到第一灌封材料5上，所述方式使得：包括在第一灌封材料5、半导体管芯2、内插器1的层1c、1b和绝缘层之间的中空空间的壳体4的整个内部被第二灌封材料6填满。
25.第一灌封材料5与第二灌封材料6之间的差异可以是多方面的。例如，第一灌封材料5可以包括比第二灌封材料6更高的温度稳定性和更高的热导率，因为第一灌封材料5必须承受特别是在半导体管芯2和接合线3的热点处产生的高温，即半导体功率模块的操作时电流密度高的部分，并且第一灌封材料5必须有效地将热量传导到第二灌封材料6。在另一方面，第二灌封材料6可能具有比第一灌封材料5更高的蠕流能力(creeping ability)，因为第一灌封材料5的蠕流能力与第二灌封材料6相比不那么重要，第二灌封材料6必须蠕动穿过并且进入在将内插器1、半导体管芯2和接合线3放置在壳体4的内部之后可能存在的狭窄空间中。第一灌封材料5与第二灌封材料6之间的另一差异可能是：第一灌封材料5可以包括比第二灌封材料6更高的杨氏模量。此外，第一灌封材料5和第二灌封材料6可以具有并入其中的不同量的填充物颗粒。下面将进一步提及填充物颗粒的类型。特别地，第一灌封材料可以具有比第二灌封材料更大量的填充物颗粒。
26.在第一灌封材料5与第二灌封材料6之间可以仅存在上述差异中的一个或者这些差异中的两个或多个的任意组合。
27.图1所示的实施例是第一灌封材料5的高温应用的示例。第一灌封材料5仅在某些地方应用。半导体管芯、电连接器以及还可能的电源端子是具有临界高水平温度的部件。模块组件中的其他位置具有低得多的操作温度，使得不需要应用像第一灌封材料那样的高温稳定材料。
28.因此，第一灌封材料5可以优选不以与第二灌封材料相同的量施加。特别地，第一灌封材料5可以以球状顶部或作为涂层的形式施加到上述部件。少量这种材料可以实现成本昂贵版本的第一灌封材料5，其在功率模块的寿命中具有高杂质水平(低离子含量)和高水平可靠性和抗热老化的鲁棒性以及《2％的重量损失。然后，可以为第二灌封材料6选择重量损失》3.5％的相对便宜的材料，该材料可以施加为与第一灌封材料5接触，以确保在温度
较低的所有其他位置中的电绝缘。第二灌封材料6例如可以是常规的硅凝胶或硅树脂，或者替代地环氧树脂或丙烯酸酯，其中所有这些也可以填充有填充物颗粒，如将在下文进一步提及的。
29.至于第一灌封材料5的材料，第一灌封材料5的材料可以例如包括无机填充的硅树脂，即填充有选自包含al2o3、bn、aln、si3n4、金刚石或任何其他导热颗粒的组的颗粒的硅树脂。
30.第二灌封材料6也可以填充有上述颗粒的组的颗粒。然而，在这种情况下，第一灌封材料可以具有比第二灌封材料更大量的填充物颗粒，特别是为了产生第一灌封材料的特定特性。
31.还应该提及的是，图1中未示出的电源端子也可以被第一灌封材料5覆盖。在此，也可以是这样的情况，即，仅选择性部分(特别是预测的或已知的热点)被第一灌封材料覆盖。
32.绝缘内插器1可以包括直接铜接合(dcb)、活性金属钎焊(amb)或绝缘金属衬底(ims)中的一种。
33.在图1所示的实施例中，第一灌封材料完全覆盖半导体管芯2和接合线3，当然不在半导体管芯2和接合线3的下表面上，其中半导体管芯2安装在内插器1的第一上层1b上，并且其中，接合线3与半导体管芯2的上表面和内插器1的第二上层1c的上表面连接。
34.然而，也可以是第一灌封材料5仅覆盖半导体管芯2或接合线3的选择性部分的情况。例如，第一灌封材料可能仅覆盖半导体管芯2和/或接合线3的热点，即，在半导体功率模块操作中电流密度高的部分。
35.图2示出了描绘与其他传统材料相比的示例性第一灌封材料的重量损失的图。
36.两条较低的曲线是指基于硅凝胶的传统灌封材料，并且可以看出，在功率模块的1000小时的操作时间之后，重量损失为1.5％或更多。另一方面，上面的三条曲线是指对应于上述第一灌封材料的同一种灌封材料，其中曲线在功率模块的操作温度方面不同。最高的曲线和第二高的曲线指的是200℃和250℃的操作温度，并且可以看出在功率模块的1000小时的操作时间之后，重量损失仅为约0.4％。只有这三条曲线中的最低曲线是指操作温度为250℃，并且示出了在功率模块的1000小时的操作时间之后的重量损失约为0.6％。因此可以得出结论，对应于上述第一灌封材料的灌封材料可用于高达300℃操作温度的操作温度，并且重量损失小于2％，并且断裂伸长率降低程度低。
37.图3示出了描绘与另一种材料相比的示例性第一灌封材料的热重分析(tga)的图。
38.热重分析或热重量分析(tga)是一种热分析方法，其中根据温度增加观察材料的物理和化学性质的变化。图3中示出的两条曲线都示出了两种材料相对于温度增加的重量损失(％)。随着温度的增加，由于随着温度的增加发生不同的反应，重量会减少。下面的曲线属于标准环氧树脂材料，而上面的曲线属于灌封材料，例如本公开的第一灌封材料。可以清楚地看到，上面的曲线的灌封材料在高达350℃的温度下仅示出最小的重量损失，而下面的曲线的标准环氧树脂材料在高达350℃的温度下示出超过0.2％的重量损失。
39.图4示出了用于说明根据第二方面的制造半导体功率模块的方法的流程图。
40.如图4所示的方法100包括：提供绝缘内插器，内插器包括设置在下金属层、第一上金属层和第二上金属层之间的绝缘层(110)；在第一上金属层上设置半导体晶体管管芯(120)；用电连接器连接第二上金属层与半导体晶体管管芯(130)；用塑料壳体包围绝缘内
插器和半导体晶体管管芯(140)；用第一灌封材料至少覆盖半导体晶体管管芯和电连接器的选择性部分(150)；以及将第二灌封材料施加到第一灌封材料上，其中第一灌封材料和第二灌封材料彼此不同(160)。
41.就上述方法被呈现为具有方法步骤的特定顺序而言，应当提及的是，该方法不限于该特定顺序，并且技术人员可以采用任何其他适当的方法步骤顺序。
42.采用另一顺序可能与用第一灌封材料至少覆盖半导体晶体管管芯和电连接器的选择性部分的步骤特别相关。在上面所示的顺序中，在将半导体晶体管管芯设置在内插器上、用电连接器连接半导体晶体管管芯与第二上金属层、并且用塑料壳体包围绝缘内插器和半导体晶体管管芯之后，完成覆盖步骤。然而，也可以在将半导体管芯、电连接器以及还可能的电源端子安装在一起之前，用第一灌封材料覆盖它们。这将具有在将材料施加到部件时更大的灵活性和自由度的优点，并且将节省在功率模块的组装状态下可能难以施加材料的步骤。
43.示例
44.下面描述本公开的具体示例。
45.示例1是一种半导体功率模块，包括：
46.绝缘内插器，包括设置在下金属层、第一上金属层和第二上金属层之间的绝缘层；
47.设置在第一上金属层上的半导体晶体管管芯；
48.连接半导体晶体管管芯与第二上金属层的电连接器；
49.包围绝缘内插器和半导体晶体管管芯的壳体；
50.第一灌封材料，至少覆盖半导体晶体管管芯(2)和电连接器的选择性部分；以及
51.施加在第一灌封材料上的第二灌封材料；
52.其中，第一灌封材料和第二灌封材料彼此不同。
53.示例2是根据示例1的半导体功率模块，其中第一灌封材料完全覆盖半导体晶体管管芯和电连接器。
54.示例3是根据示例1或2的半导体功率模块，其中第一灌封材料的量少于第二灌封材料的量。
55.示例4是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中第一灌封材料包括比第二灌封材料更高的温度稳定性。
56.示例5是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中第二灌封材料包括比第一灌封材料更高的蠕流能力。
57.示例6是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中第一灌封材料包括比第二灌封材料更高的热导率。
58.示例7是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中第一灌封材料包括比第二灌封材料更高的杨氏模量。
59.示例8是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中第一灌封材料包括无机填充的硅树脂。
60.示例9是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中第一灌封材料和第二灌封材料中的一者或两者填充有选自包含al2o3、bn、aln、si3n4、金刚石或任何其他导热颗粒的组中的颗粒。
61.示例10是根据示例9的半导体功率模块，其中第二灌封材料包括比第一灌封材料更高量的颗粒。
62.示例11是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中第一灌封材料仅覆盖在半导体功率模块操作时具有电流密度高的部分上。
63.示例12是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中电源端子也至少部分地被第一灌封材料覆盖。
64.示例13是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中第二灌封材料基于硅凝胶、树脂、环氧树脂或丙烯酸酯中的一种或多种。
65.示例14是根据前述示例中任一项的半导体功率模块，其中绝缘内插器包括直接铜接合(dcb)、活性金属钎焊(amb)或绝缘金属衬底(ims)中的一种。
66.示例15是一种用于制造半导体功率模块的方法，该方法包括：
67.提供绝缘内插器，绝缘内插器包括设置在下金属层、第一上金属层和第二上金属层之间的绝缘层；
68.在第一上金属层上设置半导体晶体管管芯；
69.用电连接器连接半导体晶体管管芯与第二上金属层；
70.用壳体包围绝缘内插器和半导体晶体管管芯；
71.用第一灌封材料至少覆盖半导体晶体管管芯和电连接器的选择性部分；以及
72.将第二灌封材料施加到第一灌封材料上，其中第一灌封材料和第二灌封材料彼此不同。
73.示例16是根据示例15的方法，其中半导体晶体管管芯和电连接器被第一灌封材料完全覆盖。
74.示例17是根据示例15或16的方法，其中电源端子也被第一灌封材料覆盖。
75.示例18是根据示例15至17中任一项的方法，其中第一灌封材料和第二灌封材料通过分配工艺施加。
76.示例19是根据示例15至17中任一项的方法，其中第一灌封材料通过压缩模制工艺施加。
77.还应提及的是，以上提及的与功率模块相关的任何示例、实施例、特征、评论或备注应被理解为也公开了用于提供或制造相应设备特征的相应方法步骤。
78.另外，虽然本公开的实施例的特定特征或方面可能仅相对于若干实施方式中的一个被公开，但是这样的特征或方面可以与其他实施方式的一个或多个其他特征或方面组合，如可能对于任何给定的或特定的应用来说都是期望的和有利的。此外，在具体实施方式或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“带有”或其其他变体的范围内，这些术语旨是包括性的，方式类似于术语“包括”。此外，应该理解，本公开的实施例可以在分立电路、部分集成电路或完全集成电路或编程单元中实施。此外，术语“示例性”仅意为示例，而非最佳或最优。还应当理解，为了简单和易于理解的目的，本文描绘的特征和/或元件以相对于彼此的特定尺寸来示出，并且实际尺寸可能与本文示出的大不相同。
79.虽然本文已经示出和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开范围的情况下，可以用各种替代和/或等效实施方式代替所示和描述的特定实施例。本技术旨在涵盖本文讨论的特定实施例的任何修改或变化。因此，本公开旨在仅受权
利要求及其等同物的限制。
技术特征：
1.一种半导体功率模块(10)，包括：-绝缘内插器(1)，包括设置在下金属层(1a)、第一上金属层(1b)和第二上金属层(1c)之间的绝缘层；-半导体晶体管管芯(2)，设置在所述第一上金属层(1b)上；-电连接器(3)，连接所述半导体晶体管管芯(2)与所述第二上金属层(1c)；-壳体(4)，包围所述绝缘内插器(1)和所述半导体晶体管管芯(2)；-第一灌封材料(5)，至少覆盖所述半导体晶体管管芯(2)和所述电连接器(3)的选择性部分；以及-第二灌封材料(6)，施加到所述第一灌封材料(5)上；其中，所述第一灌封材料(5)和所述第二灌封材料(6)彼此不同。2.根据权利要求1所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一灌封材料(5)完全覆盖所述半导体晶体管管芯(2)和所述电连接器(3)。3.根据权利要求1或2所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一灌封材料(5)的量少于所述第二灌封材料(6)的量。4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一灌封材料(5)包括比所述第二灌封材料(16)更高的温度稳定性。5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第二灌封材料(6)包括比所述第一灌封材料(5)更高的蠕流能力。6.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一灌封材料(5)包括比所述第二灌封材料(6)更高的热导率。7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一灌封材料(5)包括比所述第二灌封材料(6)更高的杨氏模量。8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一灌封材料(5)包括无机填充的硅树脂。9.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一灌封材料(5)和所述第二灌封材料(6)中的一者或两者填充有选自包含al2o3、bn、aln、si3n4、金刚石或任何其他导热颗粒的组中的颗粒。10.根据权利要求9所述的半导体功率模块(10)，其中所述第二灌封材料(6)包括比所述第一灌封材料(5)更高量的颗粒。11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第一灌封材料(5)仅覆盖在所述半导体功率模块操作时具有高电流密度的部分上。12.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中电源端子也至少部分地被所述第一灌封材料(6)覆盖。13.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述第二灌封材料(6)基于硅凝胶、树脂、环氧树脂或丙烯酸酯中的一种或多种。14.根据前述权利要求中任一项所述的半导体功率模块(10)，其中所述绝缘内插器(1)包括直接铜接合(dcb)、活性金属钎焊(amb)或绝缘金属衬底(ims)中的一种。
15.一种用于制造半导体功率模块的方法(100)，所述方法包括：-提供绝缘内插器，所述绝缘内插器包括设置在下金属层、第一上金属层和第二上金属层之间的绝缘层(110)；-在所述第一上金属层上设置半导体晶体管管芯(120)；-用电连接器连接所述半导体晶体管管芯与所述第二上金属层(130)；-用壳体包围所述绝缘内插器和所述半导体晶体管管芯(140)；-用第一灌封材料至少覆盖所述半导体晶体管管芯和所述电连接器的选择性部分(150)；以及-将第二灌封材料施加到所述第一灌封材料上，其中，所述第一灌封材料和第二灌封材料彼此不同(160)。16.根据权利要求15所述的方法，其中所述半导体晶体管管芯和所述电连接器被所述第一灌封材料完全覆盖。17.根据权利要求15或16所述的方法，其中电源端子也被所述第一灌封材料覆盖。18.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述第一灌封材料和所述第二灌封材料通过分配工艺施加。19.根据权利要求15至17中任一项所述的方法，其中所述第一灌封材料通过压缩模制工艺施加。
技术总结
一种半导体功率模块(10)包括：绝缘内插器(1)，包括：设置在下金属层(1A)、第一上金属层(1B)和第二上金属层(1C)之间的绝缘层；半导体晶体管管芯(2)，设置在第一上金属层(1B)上；电连接器(3)，连接半导体晶体管管芯(2)与第二上金属层(1C)；壳体(4)，包围绝缘内插器(1)和半导体晶体管管芯(2)；第一灌封材料(5)，至少覆盖半导体晶体管管芯(2)和电连接器(3)的选择性部分；以及第二灌封材料(6)，施加在第一灌封材料(5)上；其中，第一灌封材料(5)和第二灌封材料(6)彼此不同。材料(6)彼此不同。材料(6)彼此不同。
