[发明专利]具有短路故障模式的功率半导体模块

说明书

描述了一种可从正常操作模式转变到无爆鲁棒短路故障模式的功率半导体模块。所述功率半导体模块包括功率半导体，所述功率半导体具有金属化物，所述金属化物形成电位区域，并且由在所述功率半导体的顶侧上的绝缘物和钝化物分开。此外，提供了一种导电连接层，在所述导电连接层上布置有至少一个金属成型体，所述金属成型体具有低横向电阻并且明显比所述连接层厚，所述至少一个金属成型体通过对所述连接层的烧结来进行涂敷，使得所述金属成型体以粘结方式连接到所述对应的电位区域。所述金属成型体被实施和设计成具有用于以保持横向电流流动分量直到所述模块切断以便避免爆炸的方式使流过所述金属成型体的电流横向均质化的装置。

技术领域

本发明涉及一种功率半导体模块和功率半导体结构，所述功率半导体结构包括具有鲁棒短路故障模式的这种功率半导体模块。

背景技术

在功率电子器件中，如例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)等半导体组件用于各种不同的应用，如例如用于风力设施的控制单元。IGBT的优点在于良好的通路特性、高反向电压和一定的鲁棒性。IGBT利用几乎无功率驱动的场效应晶体管的优点，并且相对于短路还具有一定的鲁棒性，因为IGBT限制了负载电流。

在功率半导体模块的操作期间，由于各种不同的原因(如例如外部故障)可能发生过载和故障。当具有借助键合接线的顶侧连接的功率半导体模块发生故障时，在键合接线在故障时发生熔融之后经常发生电弧，所述电弧导致模块爆炸。对于多个在高功率范围内应用IGBT的领域，针对无爆特性或至少减轻爆炸后果的特性提出了更高的要求。上述半导体组件由于在大型设施领域中要切换至的高功率而在较大的单元中进行互连，这可能会导致较大功率单元的完全失灵，特别是在单个半导体组件发生爆炸的情况下。除了由爆炸导致的直接损害之外，在这种情况下，由于爆炸而造成的通过爆炸后的模块的分布在所有表面上的硅树脂封装化合物颗粒或蒸气对整个大型单元的污染被视作是特别有害的。修理以这种方式损坏和污染的单元实际上是不可能的，因为在修理的情况下，所有的接触和表面都将必须被清洁，这将是极其昂贵的。

先前的发展主要面向改进的生产性和改进热负载容量，而使功率半导体模块爆炸的不利影响最小化仅涉及对其征兆的对抗，而不是避免其起因。通过示例，存在动力来通过设计有“预先确定的断裂位置”的壳体使得模块的爆炸变得可管理，所述预先确定的断裂位置用于如下效果：颗粒和蒸气的散发被引导到特定的方向上并且不会以不受控的方式发生在所有方向上。

EP0 520 294 A1描述了一种半导体组件以及其制造方法，所述半导体组件包括在其顶侧上的附加体，所述附加体用作热缓冲器并由高导热材料构成，所述附加体具有关于附加热负载脉冲的增大的负载容量。此外，WO 2013/053420 A1和WO 2013/053419 A1公开了一种功率半导体芯片以及其制造方法，所述功率半导体芯片包括用于与粗接线或带状物形成接触的金属成型体。这里的主要目标是面向长寿命以及就此而言具有特定要求的鲁棒模块，所述模块放置在半导体的经受较高的热力和电力要求的上部和下部连接位置上。以通常的方式，经常利用用于粗铝接线的键合过程的金属化物来优化半导体的顶侧，已知这种半导体的顶侧上的铝接线的故障经常构成限制因素。利用已知的功率半导体芯片以及其制造方法，旨在通过冒着较小断裂风险的更稳定的实现方式来提高寿命，并从而提高收益。在这种现有技术的情况下，这通过如粗接线铜键合技术的顶侧接触连接的实施例来实现，这不仅使得增加的机械负载成为可能，而且还使得用于承受交变负载的电流承载容量和耐力的显著增长成为可能。为此目的，使用了由铜、银、金、钼、钨以及其合金构成的成型体，所述成型体的厚度为30μm至300μm。