[发明专利]生成功率半导体模块的方法

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体模块。本发明具体涉及生成功率半导体模块的改进方法。

背景技术

在高功率半导体模块的生产中，传统的焊接用作将端子固定到衬底的常规技术。即使焊接适合于一些应用，但是以典型富铅或富锡焊料材料的其有限热导率的高同系温度（homologues temperature）限制热循环能力，并且因而在情况下可要求特定应用的备选方案。实际上，焊接端子常常易于微结构粗化，其可导致脱层。

因此，将端子连接到衬底现在常常通过超声熔接(USW)来实现，因为这个技术据报道具有改进可靠性。在超声熔接中，可省略填充剂材料(焊料)，因为接合配对部（partner）本身组成良好接合处。但是，超声熔接也具有待改进的潜力。作为示例，超声熔接易于在陶瓷衬底上(例如在氮化铝(AlN)衬底上)造成贝壳状裂纹。实际上，陶瓷面临极端张应力，其超过陶瓷材料本身、例如AlN的断裂强度，其中应力集中可在端子脚的边缘处发生。这能够是裂纹形成的可能原因。

这类贝壳状裂纹就功率模块的可靠性而论是有害的，因为它通常能够引起隔离断裂。

克服这个缺点的一种方式是要适配所使用参数(例如端子的材料的硬度、能量、压力、幅度、熔接图案（pattern）或者脚厚度)，以便降低裂纹形成。虽然能够降低裂纹发生的风险，但是这种方式无法完全避免裂纹形成的风险。

因此，另外的方式是已知的，以便克服裂纹形成。

例如，设法将端子熔接到具有更高断裂强度的陶瓷、例如氮化硅(SiN)上。但是，氮化硅因热阻(Rth)的增加而在所有应用中不是兼容的，并且它还可损坏基板拱度（baseplate bow）的稳定性。

另外的方式是要提供和优化金属化部与陶瓷之间的活性金属钎焊层（AMB）。但是，这类衬底主要提供衬底的材料清单(BOM)的至少10-20%增加。

从EP 2219220 A2已知的是另外的由衬底所形成的结构，其包含散热器板、散热器板上的绝缘层以及绝缘层上的衬垫。此外，提供一种端子，其超声接合到衬垫。由软金属或高滑动金属、例如金所形成的薄金属层定位成略低于端子边缘，以便置于端子与衬垫之间。但是，金涂层具有高成本，并且因此不是优选的。

在EP 0886894 A2中在图7和图9A中，公开一种用于形成功率半导体模块的半成品。

此外，在Y. Wang等人的“Challenges and trends of high power IGBT module packaging”(2014 IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia Pacific)，2014年8月31日)中，示出一种通用高功率IGBT模块。

Kazumasa Kido等人的“Development of copper-copper bonding by ultrasonic welding for IGBT modules”(Electronic manufacturing (IEMT). 2010 34^th IEEE/CPMT，2010年11月30日)公开一种通过大电流高可靠性IGBT模块的铜端子的超声熔接的铜-铜接合技术。

此外，在David Guillon的“Terminal coated with a Noble material in a power-electronics module optimized for ultrasonic welding”(IP.COM，2015年4月24日)中，示出降低在超声熔接过程内通过陶瓷衬底经受的应力的解决方案。该方法基于使用具有低摩擦系数的涂层材料，从而引起熔接界面内的温度的平滑上升，此外，涂层材料应当具有到铜材料中的高扩散系数，以便超声能量在熔接界面内被吸收而没有直接传递到陶瓷。

发明内容

本发明的目的是要提供一种用于生成功率半导体模块的方法，其至少部分避免现有技术的缺点中的一个。本发明的目的具体来说是要提供一种用于生成功率半导体模块的方法，其允许通过超声熔接将端子接合到衬底，从而允许衬底中发生裂纹的降低的风险。

这些目的至少部分通过如独立权利要求1所述的生成功率半导体模块的方法来解决。在从属权利要求书中给出有利实施例。

生成功率半导体模块的方法包括下列步骤：

a) 提供载体层；

b) 提供具有端子连接区的衬底；