具有短路失效模式的功率半导体模块制造技术

功率半导体模块（10）包括：基板（12）；包括Si衬底的Si芯片（16a），该Si芯片（16a）附接到基板（12）；利用第一压销（24a）紧压Si芯片（16a）的第一金属预制件（22a）；宽带隙材料芯片（16b），其包括宽带隙衬底和在该宽带隙衬底中提供的半导体开关（28b），该宽带隙材料芯片（16b）附接到基板（12）；以及利用第二压销（24b）紧压宽带隙材料芯片（16b）的第二金属预制件（22b）；其中Si芯片（16a）和宽带隙材料芯片（16b）经由基板（12）并且经由第一压销（24a）和第二压销（24b）并联连接；其中第一金属预制件（22a）适合于在被过电流加热时形成通过Si芯片（16a）的传导路径；并且其中第二金属预制件（22b）适合于在被过电流加热时形成通过宽带隙材料芯片（16b）的暂时的传导路径或开路。

Power Semiconductor Module with Short Circuit Failure Mode

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有短路失效模式的功率半导体模块
本专利技术涉及功率半导体器件的领域。特别地，本方面涉及用于这种器件的功率半导体模块。
技术介绍
诸如转换器、电驱动器、STATCOMS之类的功率半导体器件通常由多个功率半导体模块组装而成，所述多个功率半导体模块中的每个机械且电连接一个或多个功率半导体元件。在高压DC应用中，通常需要多个功率半导体模块串联连接来满足高压和高电流要求。在失效（failure）情况下变成永久传导的功率半导体模块在这种串联连接中可具有很大优势。在具有基于Si（硅）的半导体元件的半导体模块中，可以在Si芯片的电极上提供金属预制件（preform），该金属预制件适合于与芯片的Si材料形成低熔点共晶合金并且创建传导路径来运输全电流负载通过失效点。例如，在相对低的温度（577℃），Si与Al（铝）之间的共晶反应实现这样的固有失效补偿。例如，EP0989611A2和EP2503595A1涉及具有基于Si的半导体芯片的功率半导体模块，该半导体芯片是在能够与芯片的Si材料形成共晶合金的两个层之间提供。具有基于SiC（碳化硅）和其他宽带隙衬底的半导体元件的半导体模块由于它们的高阻断能力而越来越多地在高压应用中被采用。WO2016/062426A1示出了具有并联连接的Si芯片12和SiC芯片的半导体模块。按压器件用于压到Si芯片上。提到了这促进短路失效模式的预备。WO2013/004297A1示出了具有诸如IGBT的若干半导体器件的半导体模块，通过弹性元件将金属层压到半导体器件上。在熔化时，该金属层适合于与半导体器件的材料形成合金。WO2012/107482A2示出了具有多个基于硅的半导体芯片的半导体模块，在该半导体芯片中的每个之上提供由Al制成的第一预制件和由Mo制成的第二预制件。提到了第一金属预制件与芯片之间的共晶合金的形成。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供基于宽带隙半导体元件的紧凑、稳固且不太复杂的功率半导体器件。该目的由独立权利要求的主题来实现。另外的示范性实施例从从属权利要求和下面的描述显而易见。本专利技术涉及功率半导体模块。在此以及在下面，术语“功率”可涉及处理超过10A和/或超过1.000V的电流的能力。功率半导体模块一般可以是机械支承诸如晶体管、晶闸管、二极管之类的一个或多个功率半导体元件且为其提供端子的器件。一般来说，功率半导体模块可包括提供端子的壳体，其中容纳一个或多个功率半导体元件。根据本专利技术的实施例，功率半导体模块包括基板，其可以完全导电或至少包括导电层。此外，功率半导体模块包括：包括Si衬底的Si芯片，该Si芯片附接到基板；以及利用第一压销紧压Si芯片的一侧的第一金属预制件。例如，Si芯片可以熔接、烧结或焊接到基板。第一金属预制件可以直接紧压Si芯片。必须注意，用于将第一金属预制件接合到Si芯片和/或Si芯片上的电极层的接合层可以视为Si芯片的一部分。第一压销可以具有与第一金属预制件不同的材料。功率半导体模块还包括：宽带隙材料芯片，其包括宽带隙衬底和在该宽带隙衬底中提供的半导体开关，宽带隙材料芯片附接到基板；以及利用第二压销紧压宽带隙材料芯片的一侧的第二金属预制件。例如，Si芯片可以熔接、烧结或焊接到基板。第二金属预制件可以直接紧压宽带隙材料芯片。必须注意，用于将第二金属预制件接合到宽带隙材料芯片和/或宽带隙芯片上的电极层的接合层可以视为宽带隙材料芯片的一部分。第二压销可以具有与第二金属预制件不同的材料。宽带隙材料可以是SiC、GaN等。它可以用至少2eV的半导体带隙来表征。半导体开关可以是具有适合于控制半导体开关的两个另外的电极之间的电阻的栅极的开关元件。半导体开关可以是晶体管或晶闸管。例如，宽带隙材料开关的宽带隙材料可以是SiC。例如，半导体开关可以是SiCMOSFET、SiCJFET、SiCIGBT、SiCBJT或SiCGTO。第一金属预制件和/或第二金属预制件可以是具有两个平坦表面的板状体。第一金属预制件和/或第二金属预制件可以比对应芯片更厚。Si芯片和/或宽带隙材料芯片可以都具有其中两侧上提供扁平电极的大致板状体。在面对和/或邻接金属预制件的那侧上，还可以存在由相应芯片提供的开关的栅电极。Si芯片和宽带隙材料芯片经由基板并且经由第一压销和第二压销并联电连接。特别地，它们在功率半导体模块内并联连接。可能的是，顶板用第一压销和第二压销将电路闭合。必须注意，Si芯片可以是完全无源元件和/或为沿第一金属预制件和第一压销的电流路径仅提供相当高的电阻的层。也就是说，可能的是在正常操作期间完全没有电流流过Si芯片。第一金属预制件适合于在被过电流（overcurrent）加热时，可选地与Si衬底一起形成通过Si芯片的传导路径。该传导路径可以用合金形成，该合金由Si衬底和第一金属预制件的材料形成。除Al之外，其他金属也可以适合于与Si形成共晶合金。在此，过电流可以是使得Si芯片和/或例如第一金属预制件熔化或开始熔化的这样高的电流。第二金属预制件适合于在被过电流加热时与宽带隙衬底形成通过宽带隙材料芯片的至少暂时的传导路径。在该上下文中，过电流可以是使得第二金属预制件和/或宽带隙材料开始熔化的这样高的电流。第二金属预制件由具有比第一金属预制件的材料更高的熔点的材料制成。采用这样的方式，与Si芯片的Si材料的熔点相比，第二金属预制件可以导致宽带隙材料的更高熔点。利用该构造，Si芯片和第一金属预制件可以提供永久SCFM（短路失效模式），而宽带隙材料芯片和第二金属预制件可以提供暂时的传导路径或甚至开路。半导体模块可以例如通过堆叠而与其他半导体模块串联连接，这些其他半导体模块可以具有与其中所描述的半导体模块相同的类型。在该情况下，宽带隙材料芯片失效，它可能变为阻断或可能至少具有比其他半导体模块高得多的电阻。因此，跨串联连接的半导体模块的电压可以完全或大致应用于具有失效芯片的半导体模块，这可能引起通过宽带隙材料芯片的电弧和过电流。形成通过宽带隙材料芯片的暂时的传导路径，然而该暂时的传导路径可能由于为传导路径形成的材料而退化。例如，SiC衬底和金属预制件可以形成导电物质，其不稳定并且一段时间后消失。术语“暂时”可以涉及比“永久”时间跨度小得多的时间跨度。例如，暂时的时间跨度可以比1秒更短。根据本专利技术的实施例，第二金属预制件适合于通过被过电流熔化来形成通过宽带隙材料芯片的至少暂时的传导路径。第二金属预制件可以被过电流加热到使得它自身和/或宽带隙材料熔化并且通过宽带隙材料芯片形成传导材料的传导路径的这种高温度。Si芯片和第一金属预制件可以形成永久导电路径。必须注意，术语“永久”指的是比“暂时”时间跨度长得多的时间跨度，其例如是“暂时”时间跨度的100倍或以上。通过Si芯片的永久导电路径的形成可以是由于仅仅跨Si芯片的电压引起，如关于宽带隙材料芯片所描述的那样。然而，还可以有可能的是，Si芯片中的开关被提供有栅电压，该栅电压引起Si芯片的内部电阻，从而导致加热到用于形成传导路径的适合的温度。总之，在宽带隙材料芯片中有故障的情况下，Si芯片和它的金属预制件可以比宽带隙材料芯片更容易进入安全的短路失效模式。Si芯片可以视为牺牲器件，其提供功率半导体模块的固有安全特征。所得的宽带隙-Si半导体模块可以具有在正常操作期本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率半导体模块（10），包括：基板（12）；包括Si衬底的Si芯片（16a），所述Si芯片（16a）附接到所述基板（12）；利用第一压销（24a）紧压所述Si芯片（16a）的一侧的第一金属预制件（22a）；宽带隙材料芯片（16b），所述宽带隙材料芯片（16b）包括宽带隙衬底和所述宽带隙衬底中提供的半导体开关（28b），所述宽带隙材料芯片（16b）附接到所述基板（12）；利用第二压销（24b）紧压所述宽带隙材料芯片（16b）的一侧的第二金属预制件（22b）；其中所述Si芯片（16a）和所述宽带隙材料芯片（16b）经由所述基板（12）并且经由所述第一压销（24a）和所述第二压销（24b）并联连接；其中所述第一金属预制件（22a）适合于在被过电流加热时通过与所述Si衬底形成合金而形成通过所述Si芯片（16a）的传导路径；其中由具有比所述第一金属预制件（22a）的材料更高的熔点的材料制成的所述第二金属预制件（22b）适合于在被过电流加热时形成通过所述宽带隙材料芯片（16b）的至少暂时的传导路径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.01 EP 17154197.21.一种功率半导体模块（10），包括：基板（12）；包括Si衬底的Si芯片（16a），所述Si芯片（16a）附接到所述基板（12）；利用第一压销（24a）紧压所述Si芯片（16a）的一侧的第一金属预制件（22a）；宽带隙材料芯片（16b），所述宽带隙材料芯片（16b）包括宽带隙衬底和所述宽带隙衬底中提供的半导体开关（28b），所述宽带隙材料芯片（16b）附接到所述基板（12）；利用第二压销（24b）紧压所述宽带隙材料芯片（16b）的一侧的第二金属预制件（22b）；其中所述Si芯片（16a）和所述宽带隙材料芯片（16b）经由所述基板（12）并且经由所述第一压销（24a）和所述第二压销（24b）并联连接；其中所述第一金属预制件（22a）适合于在被过电流加热时通过与所述Si衬底形成合金而形成通过所述Si芯片（16a）的传导路径；其中由具有比所述第一金属预制件（22a）的材料更高的熔点的材料制成的所述第二金属预制件（22b）适合于在被过电流加热时形成通过所述宽带隙材料芯片（16b）的至少暂时的传导路径。2.如权利要求1所述的功率半导体模块（10），其中所述第二金属预制件（22b）适合于通过至少部分被所述过电流熔化来形成通过所述宽带隙材料芯片（16b）的至少暂时的传导路径。3.如权利要求1或2所述的功率半导体模块（10），其中所述第一金属预制件（22a）由Al、Cu、Ag、Mg或其合金制成。4.如前述权利要求中的一项所述的功率半导体模块（10），其中所述第二金属预制件（22b）由Mo、W或其合金制成。5.如前述权利要求中的一项所述的功率半导体模块（10），其中所述基板（12）由Mo制成。6.如前述权利要求中的一项所述的功率半导体模块（10），其中所述宽带隙材料芯片（16b）的所述宽带隙材料是...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳春雷，J舒德雷尔，F布雷姆，M拉希莫，PK施泰默，F杜加尔，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH