具体实施方式

在下文中，参照图1描述根据第一实施例的功率半导体装置100。根据第一实施例的功率半导体装置100是包括半导体晶片1、第一金属盘2、第二金属盘3、第一极片4、第二极片5和壳体6的压装型装置。半导体晶片1具有第一主侧11、与第一主侧11相反的第二主侧12以及连接第一主侧11和第二主侧12的横向侧13上。

在平行于第一主侧11的平面的正交投影中，半导体晶片1具有位于半导体晶片1的中央区域中的有源区AR和沿半导体晶片1的周向边缘延伸以横向包围有源区AR的结终端区TR。其中，平行于第一主侧的任何方向是横向方向。在半导体晶片1的有源区AR中形成至少一个结15。根据由半导体晶片实现的功率装置的类型，至少一个结15可以包括pn结和/或肖特基结。在终端区TR中，在半导体晶片1的第二主侧12处形成结终端。半导体晶片可以由适合于功率半导体装置的任何半导体材料制成，例如硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(AlGaN)等。

在图1所示的第一实施例中，结终端示例性地示出为单侧单负斜角。钝化层17形成在半导体晶片1上的周向边缘中，以对半导体晶片的结终端区进行表面钝化，所述钝化层17示例性地由绝缘材料制成，例如氧化硅、氮化硅、氧化铝、聚酰亚胺或由类金刚石碳(DLC)之类的半绝缘材料制成。除了由氧化硅、氮化硅或类金刚石碳(DLC)制成的相对薄的钝化层之外，例如，由模制材料制成的保护层18布置为在横向侧13和第二主侧12覆盖至少半导体晶片1的终端区TR。保护层18被布置成与用作第一主触点的金属化层(未示出)重叠，该金属化层被布置在半导体晶片1的第二主侧12上的有源区AR中，使得包括钝化层17的结终端相对于周围的大气气密密封。

保护层18的材料可以示例性地是热固性聚合物、环氧树脂或混合环氧酰亚胺化合聚合物，或诸如硅橡胶的橡胶。环氧模塑复合物材料可以由多官能树脂(例如多芳族环树脂(MAR)和联苯芳烷基结构、萘和芴结构)或替代的树脂和共聚物体系(例如双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酰亚胺或硅树脂)制成。

在第一实施例中，第一金属盘2通过保护层18固定或胶黏到半导体晶片1，该保护层18固定或胶黏到半导体晶片1的横向侧13、在半导体晶片1的终端区TR中固定或胶黏到半导体晶片1的第二主侧面12、以及固定或胶黏到第一金属盘2的横向侧表面23。类似地，第二金属盘3通过保护层18固定或胶黏到半导体晶片1上，该保护层固定或胶黏到第二金属盘3的横向侧表面33上。通过固定或胶黏在半导体晶片1上以及第一金属盘2的横向侧表面23上的保护层18，保护层18相对于功率半导体装置100周围的大气而有效地密封半导体晶片1和第一金属盘2之间的界面。

第一金属盘2和第二金属盘3示例性地是钼(Mo)盘或钨(W)盘，它们的热膨胀系数接近于诸如硅(Si)或碳化硅(SiC)的常规的半导体材料的热膨胀系数。可以将由Mo制成的第一金属盘2与具有最高电导率的由银(Ag)制成的第二金属盘3最终组合。在平行于第一主侧11的平面上的正交投影中，半导体晶片1、第一金属盘2和第二金属盘3具有圆形形状。第一金属盘和第二金属盘可以被诸如钌(Ru)层的抗氧化保护层覆盖。在第一实施例中，第一金属盘2具有直径d₂，所述直径d₂是第一金属盘2的横向尺寸，该横向尺寸与半导体晶片1的直径d_w相同，该直径d_w是半导体晶片1的横向尺寸。第一金属盘2被布置在第一主侧11上，以覆盖半导体晶片1的第一主侧11，即，使平行于第一主侧11的平面上的正交投影与半导体晶片1的整个第一主侧11重叠。

第一金属盘2与半导体晶片1之间的界面是自由浮置界面，即，第一金属盘2既不结合、也不铜焊或钎焊到半导体晶片1的第一主侧11，使得当在功率半导体装置100的运行期间由于热量升高而横向扩展时，第一金属盘2可沿第二主侧11滑动。在第一实施例中，第一金属盘2(其可以包括如上所讨论的氧化物保护层)可以与半导体晶片1的第一主侧11上的金属化层(该金属化层用作第二主触点)直接电接触和物理接触。

根据第一实施例的功率半导体装置100包括壳体6，该壳体包括陶瓷壳体部分6a。

下面，参照图2描述根据第二实施例的功率半导体装置200。由于第一实施例和第二实施例之间的许多相似之处，仅描述这两个实施例之间的不同之处。关于所有其他特征可参考以上对第一实施例的讨论。特别地，具有相同的附图标记的元件应指代具有与以上针对第一实施例所描述的元件相同的特性和特征。根据第二实施例的功率半导体装置200与根据第一实施例的功率半导体装置的不同之处在于，金属层30被夹在第一金属盘2和半导体晶片1之间，该金属层30的熔点低于150℃、例如低于125℃、还例如低于100℃。金属层30可包括液态金属热界面(LMTI)中的任何一种。它可以是基于镓(Ga)的共晶合金、例如GaIn、GaInSn和GaInSnZn等共晶合金。也可以是镓(Ga)、铟(In)、铯(Cs)、铷(Rb)及它们的合金，例如锡(Sn)、铋(Bi)、铅(Pb)和镉(Cd)的合金，或铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、铊(Tl)的合金，或它们的混合物和合金。金属层30的厚度在0.1μm至500μm的范围内，例如在1μm至100μm的范围内。金属层30改善了第一金属盘2与半导体晶片1之间的热接触和电接触，从而导致功率半导体装置200的更有效的热量移除和更低的导通状态损耗，而金属层30在运行期间可处于液态，以减小由于半导体晶片1和第一金属盘2的热膨胀系数不同而导致的半导体晶片1和第一金属盘2中的压应力或拉应力。在保护层18被固定或胶黏到半导体晶片1和第一金属盘2的横向侧表面23上的情况下，保护层18有效地包封金属层30，并防止液态的金属层30的材料发生任何泄漏。

下面，参照图3描述根据第三实施例的功率半导体装置300。由于第一实施例和第三实施例之间的许多相似之处，下文仅描述这两个实施例之间的不同之处。关于所有其他特征可参考以上对第一实施例的讨论。功率半导体装置300与功率半导体装置200的不同之处在于，第一金属盘2没有通过保护层28而固定或胶黏到半导体晶片1。因此，保护层28与保护层18的不同之处在于，保护层28未固定或胶黏到第一金属盘2的横向侧表面23。在图3中，该差异由第一金属盘2的横向侧表面23与保护层28之间的间隙28a反映出。类似地，与功率半导体装置100相比，保护层28也没有固定或胶黏到第二金属盘3的横向侧表面33，该第二金属盘3的横向侧表面33通过图3中的间隙28b与保护层28分开。针对所有其他的特性或特征，保护层28可以与第一实施例中的上述保护层18相同。功率半导体300最适于在完成包括形成保护层的装置处理之后需要离子和/或电子辐照的功率装置。

接下来，参照图4说明根据第四实施例的功率半导体装置400。由于第一实施例与第四实施例之间的许多相似之处，以下仅描述这两个实施例之间的不同之处。关于所有其他特征可参考以上针对第一实施例的讨论。功率半导体装置400与上述功率半导体装置100的不同之处在于，如图4所示，保护层38仅固定或胶黏至第一金属盘2的横向侧表面23的一部分23a。第一金属盘2的横向侧表面23的下部分23b未固定或胶黏到保护层23。在所有其他方面中，保护层38与图1中所示的功率半导体装置100的保护层18相同。

下面，参照图5说明根据第五实施例的功率半导体装置500。由于第一实施例与第五实施例之间的许多相似之处，下文仅描述这两个实施例之间的不同之处。关于所有其他特征可参考以上对第一实施例的讨论。功率半导体装置500与上述功率半导体装置100的不同之处在于，第一金属盘22具有直径d₂'，该直径d₂'是第一金属盘2的横向尺寸，该横向尺寸大于半导体晶片1的直径d_w，所述直径d_w是半导体晶片1的横向尺寸。类似地，第五实施例中的第一极片24的直径也比第一实施例中的第一极片4的直径大。由于第一金属盘22的直径d₂'比半导体晶片1的直径大，保护层48不仅固定或胶黏到第一金属盘22的横向侧表面223，而且还固定或胶黏到第一金属盘22的上侧224的周向边缘部分。更大的直径d₂'>d_w改善了功率半导体装置500在运行期间的热量移除。第一金属盘22、第一极片24和保护层48的其他特性和特征分别与第一实施例中的第一金属盘2、第一极片4和保护层18的特性和特征相同。

下面，参照图6说明根据第六实施例的功率半导体装置600。由于第五和第六实施例之间的许多相似之处，下面仅描述这两个实施例之间的不同之处。关于所有其他特征可参考对第五实施例的以上讨论。类似于在上面讨论的功率半导体装置500，功率半导体装置600具有第一金属盘32，该第一金属盘32的直径为d₂”，该直径d₂”为第一金属盘2的横向尺寸，该横向尺寸大于半导体晶片1的直径d_w，该直径d_w是半导体晶片1的横向尺寸。类似地，在第六实施例中的第一极片34的直径也比在第一实施例中的第一极片4的直径大。与第五实施例中的保护层48相比，第六实施例中的保护层58仅固定或胶黏到第一金属盘32的上侧324的周向边缘部分，而不固定或胶黏到第一金属盘32的横向侧表面323。相对大的直径d₂”>d_w改善了功率半导体装置600在运行期间的热量移除。第一金属盘32、第一极片34和保护层58的其他特性和特征分别与在第五实施例中的第一金属盘22、第一极片24和保护层48的特性和特征相同。

在未被所附权利要求覆盖的比较示例中，提供了一种功率半导体装置，其与根据第六实施例的功率半导体装置相同，除了第一金属盘32通过结合或铜焊而结合至半导体晶片1。

在用于制造根据上述实施例中的任何一个的功率半导体装置100、200、300、400、500、600的示例性方法中，保护层18、28、38、48、58可以通过传递成型而形成。在这种情况下，保护层18、28、38、48、58可以由热固性聚合物制成。与其他成型技术相比，传递成型的优势在于在传递成型过程中，热固性聚合物的粘度相对高。

因此，使用传递成型特别有利于制造功率半导体装置100、200、400、500、600，在这些功率半导体装置中，第一金属盘2、22、32和/或第二金属盘3被固定或胶黏到如图1、图2和图4至图6所示的上述实施例中的保护层18、38、48、58。热固性聚合物的高粘度导致该聚合物在成型过程期间不容易进入第一金属盘2、22与半导体晶片1之间的间隙和/或不容易进入第二金属盘3和半导体晶片1之间的间隙。与注射成型等其他成型技术相比，传递成型的其他优点是成型设备成本相对低、周期时间相对短、工具维护成本相对低。

对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的思想的情况下，可以对上述实施例进行修改。

在上述实施例中，要么(如图3所示的第三实施例中那样)保护层28既不固定也不胶黏在第一金属盘2和第二金属盘3上，要么(如图1，图2和图4至图6所示的其余实施例中那样)保护层18、38、48、58固定或胶黏到第一金属盘2和第二金属盘3上。然而，保护层也可以被胶黏或固定到第一和第二金属盘中的仅一个。

在以上实施例中，功率半导体装置100、200、300、400、500、600包括壳体6。然而，功率半导体装置可以不包括壳体。示例性地，功率半导体可以是无外壳的功率半导体装置。

在以上实施例中，功率半导体装置包括第一极片和第二极片以及第二金属盘。然而，这些元件中的每一个都是可选特征，并且功率半导体装置可以不包括这些元件。

在以上实施例中，半导体晶片1、第一金属盘2、22、32和第二金属盘3被描述为分别具有圆形形状(在平行于第一主侧的平面上的正交投影)。因此，使用单个直径来分别表征第一金属盘2、第二金属盘3和半导体晶片1的横向尺寸。然而，本发明不限于半导体晶片1、第一金属盘2和第二金属盘3的这种特定形状。通常，第一金属盘2、第二金属盘3和半导体晶片1的形状可以是任何形状，并且第一金属盘2、第二金属盘3和半导体晶片1的横向尺寸可以分别取决于横向方向，即，对于两个不同的横向方向可以不同。在这种一般情况下，第一金属盘2的横向尺寸在任何横向方向上都相同或更大。例如，半导体晶片的形状和第一金属盘的形状可以分别是具有短边和长边的矩形，其中，半导体晶片的短边平行于第一金属盘的短边，并且半导体晶片的长边平行于第一金属盘的长边。在这种示例性情况下，第一金属盘的短边的长度应等于或大于半导体晶片的长度，并且第一金属盘的长边的长度应等于或大于半导体晶片的长度。

在图1至图6所示的以上实施例中，结终端示例性地示出为单侧单正斜角。然而，本发明不限于任何特定类型的结终端，只要该结终端沿着半导体晶片的周向边缘布置即可。结终端可例如包括单侧单负斜角、单正斜角、双正斜角、正负组合斜角或平面结终端，例如结终端扩展(JTE)、横向掺杂(VLD)以及带有和不带有场板扩展的浮置场环终端(FFR)的变型。

在图2所示的上述第二实施例中，金属层30被夹在第一金属盘2和半导体晶片1之间。具有与金属层30相同的特性的金属层也可被夹在第二金属盘3以及上述实施例中的每个半导体晶片1之间。夹在第二金属盘3和半导体晶片1之间的这种金属层可通过将保护层18固定或胶黏到半导体晶片1和到第二金属盘3的横向侧表面33上而有效地封装，从而可以防止液态的这种金属层的材料泄漏。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。此外，所描述的各元件可结合不同实施例进行组合。

附图标记列表

1 半导体晶片

2、22、32 第一金属盘

3 第二金属盘

4、24、34 第一极片

5 第二极片

6 壳体

6a 陶瓷壳体部分

11 第一主侧

12 第二主侧

13 半导体晶片的横向侧

15 结

17 钝化层

18、28、38、48 保护层

224、324 第一金属盘的上侧表面的边缘部分

23、223、323 第一金属盘的横向侧表面

23a 第一金属盘的横向侧表面的第一部分

23b 第一金属盘的横向侧表面的第二部分

28a 第一间隙

28b 第二间隙

23 第一金属盘的横向侧表面

30 金属层

33 第二金属盘的横向侧表面

100 根据第一实施例的功率半导体装置

200 根据第二实施例的功率半导体装置

300 根据第三实施例的功率半导体装置

400 根据第四实施例的功率半导体装置

500 根据第五实施例的功率半导体装置

600 根据第六实施例的功率半导体装置

AR 有源区

d₁ 第二金属盘的直径

d₂、d₂'、d₂” 第一金属盘的直径

d_w 半导体晶片的直径

TR 结终端区。