阅读说明：本技术 功率半导体模块装置、衬底装置及其生产方法 (Power semiconductor module device, substrate device and method for producing the same ) 是由 O·霍尔菲尔德 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本公开的实施例涉及功率半导体模块装置、衬底装置及其生产方法。一种功率半导体模块装置包括散热器(30)；衬底装置(60),其沿垂直方向布置在散热器(30)上；导热膏(40),其沿垂直方向布置在衬底装置(60)的表面(61)和散热器(30)的表面(31)之间,其中多个导热颗粒均匀地分布在导热膏(40)内；以及多个晶须或纤维(64)。多个晶须或纤维(64)中的每个晶须或纤维包括第一端和第二端,并且多个晶须或纤维(64)中的每个晶须或纤维的第一端不可分离地连接到衬底装置(60)的表面(61)或散热器(30)的表面(31)。(Embodiments of the present disclosure relate to power semiconductor module devices, substrate devices, and methods of producing the same. A power semiconductor module arrangement comprises a heat sink (30); a substrate arrangement (60) arranged on the heat sink (30) in a vertical direction; a thermally conductive paste (40) arranged in a vertical direction between a surface (61) of the substrate arrangement (60) and a surface (31) of the heat sink (30), wherein a plurality of thermally conductive particles are evenly distributed within the thermally conductive paste (40); and a plurality of whiskers or fibers (64). Each whisker or fiber of the plurality of whiskers or fibers (64) includes a first end and a second end, and the first end of each whisker or fiber of the plurality of whiskers or fibers (64) is inseparably connected to a surface (61) of the substrate arrangement (60) or a surface (31) of the heat spreader (30).)

功率半导体模块装置、衬底装置及其生产方法

技术领域

本公开涉及一种功率半导体模块装置、衬底装置及其生产方法，具体涉及一种包括散热器的功率半导体模块装置。

背景技术

功率半导体模块装置通常包括至少一个衬底。衬底可以布置在基板上。然而，还已知没有基板的功率半导体模块装置。包括多个可控半导体部件(例如，呈半桥配置的两个IGBT)的半导体装置通常布置在至少一个衬底中的至少一个衬底上。每个衬底通常包括衬底层(例如，陶瓷层)；第一金属化层，其沉积在衬底层的第一侧上；以及第二金属化层，其沉积在衬底层的第二侧上。例如，可控半导体部件被安装在第一金属化层上。第一金属化层可以是结构化层，而第二金属化层通常是连续层。第二金属化层可以被附接到基板。

由可控半导体部件生成的热量通过衬底散发到基板和/或散热器。导热膏通常布置在衬底和散热器之间或基板和散热器之间，以有效地将热量从衬底传导走。

需要一种改进的功率半导体模块装置，以及一种改进的衬底装置，其在衬底或基板与散热器之间提供良好的导热性。

发明内容

一种功率半导体模块装置，包括散热器；衬底装置，其沿垂直方向布置在散热器上；导热膏，其沿垂直方向布置在衬底装置的表面和散热器的表面之间，其中多个导热颗粒均匀地分布在导热膏内；以及多个晶须或纤维。多个晶须或纤维中的每个晶须或纤维包括第一端和第二端，并且多个晶须或纤维中的每个晶须或纤维的第一端不可分离地连接到衬底装置的表面或散热器的表面。

一种用于生产功率半导体模块装置的方法，包括：在散热器的表面和衬底装置的表面中的至少一个表面上形成多个晶须或纤维；将导热膏施加到衬底装置的表面和散热器的表面中的一个表面上，从而围合布置在相应表面上的多个晶须或纤维，其中多个导热颗粒均匀地分布在导热膏内；以及将衬底装置安装到散热器，其中导热膏和多个晶须或纤维被布置在衬底装置的表面和散热器的表面之间。多个晶须或纤维中的每个晶须或纤维包括第一端和第二端，并且多个晶须或纤维中的每个晶须或纤维的第一端不可分离地连接到衬底装置的第一表面或散热器的表面。

一种半导体衬底包括，表面；多个晶须或纤维，其形成在表面上；以及导热膏，其布置在衬底装置的第一表面上并且围合多个晶须或纤维。多个导热颗粒均匀地分布在导热膏内，多个晶须或纤维中的每个晶须或纤维包括第一端和第二端，并且多个晶须或纤维中的每个晶须或纤维的第一端不可分离地连接到衬底装置的表面。

一种用于生产衬底装置的方法包括：在衬底装置的表面上形成多个晶须或纤维；将导热膏施加到衬底装置的表面，从而围合布置在表面上的多个晶须或纤维，其中多个导热颗粒均匀地分布在导热膏内。多个晶须或纤维中的每个晶须或纤维包括第一端和第二端，并且多个晶须或纤维中的每个晶须或纤维的第一端不可分离地连接到衬底装置的第一表面。

参考以下附图和描述，可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。而且，在附图中，相同的附图标记在不同视图中指示对应部分。

附图说明

图1示意性地图示了没有基板的半导体衬底装置的横截面视图。

图2示意性地图示了包括基板的半导体衬底装置的横截面视图。

图3示意性地图示了图2的半导体衬底装置的一部分的横截面视图。

图4示意性地示出了根据一个示例的图2的半导体衬底装置的一部分的横截面视图。

图5示意性地图示了根据另一示例的图2的半导体衬底装置的一部分的横截面视图。

图6(包括图6A至图6C)示意性地图示了用于生产根据一个示例的半导体衬底装置和功率半导体模块装置的方法。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参考附图。附图示出了可以实践本发明的具体示例。应当理解，除非另有特别说明，否则关于各种示例描述的特征和原理可以彼此组合。在说明书以及权利要求书中，作为“第一元件”、“第二元件”、“第三元件”等的某些元件的标号不应被理解为列举。相反，这些标号仅用于找到不同“元件”。也就是说，例如，“第三元件”的存在不需要“第一元件”和“第二元件”的存在。如本文中所描述的半导体本体可以由(掺杂的)半导体材料制成，并且可以是半导体芯片或被包括在半导体芯片中。半导体本体具有电连接焊盘并且包括至少一个带有电极的半导体元件。

图1示例性地图示了半导体衬底10。该半导体衬底10包括电介质绝缘层110；第一(结构化)金属化层111，其附接到电介质绝缘层110；以及第二金属化层112，其附接到电介质绝缘层110。电介质绝缘层110设置在第一金属化层111和第二金属化层112之间。

第一金属化层111和第二金属化层112中的每个金属化层可以由以下材料组成或包括以下材料中的一种材料：铜；铜合金；铝；铝合金；任何其他金属或合金，其在功率半导体模块装置的操作期间保持固态。半导体衬底10可以是陶瓷衬底，也就是说，其中电介质绝缘层110是陶瓷(例如，薄陶瓷层)的衬底。陶瓷可以由以下材料组成或包括以下材料中的一种材料：氧化铝；氮化铝；氧化锆；氮化硅；氮化硼；或任何其他电介质陶瓷。例如，电介质绝缘层110可以由以下材料组成或包括以下材料中的一种材料：Al₂O₃、AlN或Si₃N₄。比如，衬底可以是例如直接铜键合(DCB)衬底、直接铝键合(DAB)衬底、或活性金属钎焊(AMB)衬底。然而，衬底还可以是具有非陶瓷电介质绝缘层的传统印刷电路板(PCB)或IMS(绝缘金属衬底)。比如，非陶瓷电介质绝缘层可以由固化树脂组成或包括固化树脂。

通常，一个或多个半导体本体20布置在半导体衬底10上。布置在半导体衬底10上的半导体本体20中的每个半导体本体可以包括二极管、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)、HEMT(高电子迁移率晶体管)、或任何其他合适的可控半导体元件。一个或多个半导体本体20可以在半导体衬底上形成半导体装置。在图1中，示例性地图示了两个半导体本体20。然而，还可能是任何其他数目的半导体本体20。

在图1中所图示的示例中，半导体衬底10附接到散热器30，其中第二金属化层112布置在电介质绝缘层110和散热器30之间。由半导体本体20生成的热量可以通过半导体衬底10消散到散热器30。这通过图1中的粗体箭头示例性地图示。图1中的半导体衬底10的第二金属化层112是连续层。第一金属化层111是图1中所图示的装置中的结构化层。在该上下文中，“结构化层”意指第一金属化层111不是连续层，而是包括层的不同段之间的凹槽。图1中示意性地图示了这种凹槽。该装置中的第一金属化层111示例性地包括四个不同段。不同半导体本体20可以被安装到第一金属化层111的相同段或不同段。第一金属化层111的不同段可以没有电连接或者可以使用诸如例如键合线之类的电连接被电连接到一个或多个其他段。例如，仅举几个示例，电连接还可以包括连接板或导电轨。然而，作为结构化层的第一金属化层111仅是示例。第一金属化层111也可以是连续层。根据另一示例，半导体衬底10可以仅包括电介质绝缘层110和第一金属化层111。可以省略第二金属化层112。

图1的功率半导体模块装置不包括基板。也就是说，半导体衬底10直接安装在散热器30上。导热膏40的层布置在半导体衬底10和散热器30之间。具体地，导热膏40的层布置在第二金属化层112和散热器30之间，如果省略第二金属化层112，则导热膏40可以布置在电介质绝缘层110和散热器30之间。

根据另一示例，如图2中示意性地图示的，功率半导体模块装置可以附加地包括基板50。基板50可以布置在半导体衬底10和散热器30之间。在这种情况下，导热材料40的层可以布置在基板50和散热器30之间。

一般而言，功率半导体模块装置可以包括衬底装置和散热器30。衬底装置可以仅包括半导体衬底10(图1)，或者可以包括布置在基板50上的半导体衬底10(图2)。

例如，施加在衬底装置和散热器30之间的导热膏40可以包括聚合物。根据一个示例，导热膏40可以包括硅油或蜡。已知的导热膏40的导热率通常为0.5W/mK至1W/mK。其他导热膏40的导热率可以为例如高达约3W/mK。然而，对于某些应用来说，这可能不够。因此，为了进一步增加导热膏40的导热率，可以将导热颗粒62添加到导热膏40中。这在图3中示意性地图示，其示出了图1和图2的功率半导体模块装置的段A。在图3中，导热膏40布置在衬底装置60和散热器30之间。衬底装置60可以如已经关于图1和图2所描述的那样实现。

添加到导热膏40中的导热颗粒62可以均匀地分布在导热膏40内。颗粒62的导热率大于导热膏40的导热率。例如，颗粒62可以具有大于7W/mK的导热率。例如，颗粒62可以具有介于20W/mK与200W/mK之间的导热率。例如，颗粒62可以包括陶瓷材料、玻璃、或金属粉末。例如，颗粒62可以具有介于2μm和10μm之间的平均最大直径d1。包括导热膏40和颗粒62的混合物的导热率大于单独的导热膏40的导热率，例如，具有介于1W/mK和5W/mK之间的导热率。因此，通过添加颗粒62，衬底装置60和散热器30之间的散热被增加。

然而，在衬底装置60和散热器30之间的导热膏40的层通常包括三个段。第一段42是导热率相对较高的段。然而，该第一段42布置在导热率相对较低的两个段44之间。通常，在衬底装置60和导热膏40之间的过渡区中以及在散热器30和导热膏40之间的过渡区中，导热率较低。具体地，衬底装置60的表面61和散热器30的表面31与导热颗粒62之间的热传递通常相对较差。当衬底装置60的相应表面61和散热器30的相应表面31的表面粗糙度减小到例如小于20μm时，可以增加热传递。表面粗糙度大于20μm通常不会增加热传递。相反，如果表面粗糙度显著增加，则热传递可能显著变差。

现在，参考图4，为了增加功率半导体模块装置的表面31，61中的至少一个表面与导热颗粒62之间的热路径，功率半导体装置还包括多个晶须或纤维64。例如，表面可以是衬底装置60的表面61。如上文已经关于图1和图2所描述的，表面61可以是半导体衬底10的表面(第二金属化层112的表面或电介质绝缘层110的表面)或基板50的表面。多个晶须或纤维64中的每个晶须或纤维都具有第一端和第二端，并且其第一端不可分离地连接到表面61。也就是说，晶须或纤维64中的每个晶须或纤维的第一端连接到表面61，并且从第一表面61延伸到导热膏40中。晶须或纤维64可以包括具有高导热率的材料。具体地，晶须或纤维64的导热率可以高于导热膏40的导热率，即，在导热颗粒62的导热率的范围之内。根据一个示例，晶须或者纤维64可以具有20W/mK至200W/mK之间的导热率。例如，晶须或纤维64可以包括金属材料，诸如Cu、Al、Cr、Mo、或Wo。根据另一示例，晶须或纤维64包括石墨烯。石墨烯是许多其他碳(C)同素异形体的基本结构元素，诸如例如，石墨或碳纳米管。

包括金属材料的晶须或纤维64通常是导电的。因此，这种晶须或纤维64可以在衬底装置61和散热器30之间提供导电通道。然而，对于一些应用，可能不期望在衬底装置61和散热器30之间提供导电连接。因此，根据另一示例，晶须或纤维64可以包括电绝缘材料，诸如例如，陶瓷。

每个晶须或纤维64具有可能介于5μm和50μm之间的最大长度。例如，每个晶须或纤维64具有可能介于5μm和20μm之间的长度。低导热率段44的厚度d2(参见图3)可以在1μm的范围之内，直到几μm。晶须或纤维64可以足够长以桥接这种低导热率段44(晶须或纤维64的长度>d2)。具体地，晶须或纤维64被配置为在表面61和导热颗粒62之间提供热路径。当晶须或纤维64沿功率半导体模块装置的垂直方向y延伸到导热膏40中时，它们还接触导热颗粒62中的一个或多个导热颗粒。

例如，衬底装置60和散热器30之间沿垂直方向的距离d3可能介于20μm和50μm之间。多个晶须或纤维64的一部分的长度可以显著小于衬底装置60和散热器30之间的距离d3。因此，这种晶须或纤维64仅桥接低导热率段44的短距离d2。例如，晶须或纤维64的另一部分可以具有位于衬底装置60和散热器30之间的距离d3的范围之内的长度。这种晶须或纤维64可以从衬底装置60的表面61延伸到散热器30的表面31，并且可以在两个表面31，61之间提供直接热路径。晶须或纤维64可以平行于垂直方向y延伸。然而，这只是示例。如图4中示意性所图示的，晶须或纤维64可以仅基本上沿垂直方向延伸，使得在晶须或纤维64与垂直方向y之间产生例如0°<α<10°的角度α。不同的晶须或纤维64可以不同延伸，使得针对不同晶须或纤维64形成不同角度α。

在图4所图示的示例中，晶须或纤维64不可分离地连接到衬底装置60的第一表面61。然而，这仅是示例。相反，还可以将多个晶须或纤维64不可分离地连接到散热器30的表面31(未图示)。根据图5中所图示的另一示例，晶须或纤维64的一部分可以不可分离地连接到衬底装置60的表面61，而晶须或纤维64的另一部分不可分离地连接到散热器30的表面31。也就是说，在图5的示例中，晶须或纤维64从两个表面31，61延伸到导热膏40中，使得两个表面31，61中的每个表面和导热颗粒62之间的热传递增加。这导致单个段42具有令人满意的热传导。低导热率的两个段44可以通过晶须或纤维64桥接。

现在，参考图6A至图6C，示例性地图示了用于生产衬底装置60和功率半导体模块装置的方法。一种用于生产衬底装置60的方法可以包括：在衬底装置60的表面61上形成多个晶须或纤维64，如图6A所图示的。衬底装置60可以包括半导体衬底10，该半导体衬底10包括电介质绝缘层110、第一金属化层111、以及(可选地)第二金属化层112，表面61是半导体衬底10的表面。根据另一示例，衬底装置60还可以包括基板50，其中半导体基板10布置在该基板50上，并且表面61是该基板50的表面。形成多个晶须或纤维64可以包括电流生长过程。例如，形成晶须或纤维64的材料可以通过电流分离沉积。掩模可以布置在衬底装置60的表面61上，掩模包括诸如多个孔的微结构。然后，材料可以沉积在微结构中，例如，孔中。在形成晶须或纤维64之后，可以移除掩模。晶须或纤维64中的每个晶须或纤维的第一端不可分离地连接到表面61，而晶须或纤维64的第二端是自由端。

例如，可以形成多个金属晶须或纤维64。例如，晶须或纤维64可以包括铝。在形成金属晶须或纤维64之后，例如，通过电流生长过程，晶须或纤维64可以暴露于蒸汽。这样，可以形成金属氧化物。如果晶须或纤维64包括铝，则可以通过铝和氧形成化合物，得到Al₂O₃。可以使用其他金属代替铝，其可以通过将其暴露于蒸汽而被转化为陶瓷。根据另一示例，可以使用氮化工艺，其中氮扩散到金属中。例如，金属晶须或纤维64可以暴露于富氮气体，例如，NH₃，从而形成氮化物。

衬底装置60通常由第一供应商生产。然后，在将衬底装置60安装到散热器30之前，衬底装置被销售和运输。然而，如果同一制造商生产衬底装置60并且将其安装到散热器30，则还需要在不同的制造工厂或生产机器之间运输装置。晶须或纤维64非常易碎并且可能容易损坏。为了在运输和/或处理期间保护微晶须或纤维64，可以将导热膏40施加到衬底装置60，如图6B中所图示的。导热膏40可以包括导热颗粒62。多个晶须或纤维64可以完全嵌入导热膏40中。也就是说，晶须或纤维64的自由端不会从导热膏40中突出。

功率半导体模块装置的制造商可以购买具有多个晶须或纤维64和布置在衬底装置上的导热膏40的衬底装置60。例如，导热膏40可以是依据温度改变其物相的导热膏。例如，在室温下，导热膏40可以为固态、半固态、粘性或凝胶状，并且可以粘附到表面61。当被加热时，导热膏40可以液化。例如，导热膏40可以在其仍然是液体的同时被施加到衬底装置60。例如，导热膏40可以包括溶剂。在随后的步骤中，可以移除溶剂。然后，导热膏40可以形成用于晶须或纤维64的保护层。例如，导热膏40可以具有低粘度。

如果晶须或纤维64形成在散热器30的表面31上而非在衬底装置60的表面61上(未图示)，则可以将导热膏40施加到散热器30而非衬底装置60上。如果在衬底装置60的表面61和散热器的表面31两者上形成晶须或纤维64，则导热膏40可以仅施加到表面31，61中的一个表面上。

一种用于生产功率半导体模块的方法还可以包括：将包括多个晶须或纤维64的衬底装置60安装到散热器30，该多个晶须或光纤64嵌入到导热膏40的层中。这在图6C中示意性地图示。

可替代地或附加地，根据另一示例(未图示)，一种用于形成功率半导体模块装置的方法可以包括：在将衬底装置60安装到散热器30之前，在散热器30的表面31上形成多个晶须或光纤64。