碳化硅电源模块制造技术

电源模块包括第一端子、第二端子和耦合在第一端子和第二端子之间的多个半导体管芯。所述半导体管芯被配置为在前向导通操作模式期间，为从第一端子到第二端子的电流流动提供低电阻路径，并且在前向阻断配置期间，为从第一端子到第二端子的电流流动提供高电阻路径。由于电源模块的改进，电源模块能够在额定电压的80％下通过至少1000小时的温度、湿度和偏置测试。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】碳化硅电源模块
本公开涉及电源模块，并且具体涉及包括碳化硅开关半导体元件的电源模块，其提高了耐用性和可靠性。
技术介绍
电源模块用于选择性地向负载输送功率。电源模块的主要功能由电源模块内的多个开关半导体器件(例如，晶体管和二极管)提供。当设置在具有一个或多个其他电源模块和/或一个或多个其他组件的功率系统中时，电源模块的开关半导体器件可以形成功率转换器(例如，半桥转换器、全桥转换器、降压转换器、升压转换器等)的一部分。电力系统通常处理较高的电压和电流，因此电源模块的开关半导体器件必须同样能够可靠地切换这些高电压和电流。传统上，电源模块的开关半导体器件是硅器件，这是由于众所周知的用于生产能够可靠地切换高电压和电流的硅开关半导体器件的工艺。然而，近年来，由于碳化硅的使用大大提高了切换速度和效率，用于电源模块的碳化硅半导体开关器件已经普及。虽然具有碳化硅半导体开关器件的电源模块提供了优于其硅对应物的几个性能优势，但是在电源模块中使用碳化硅半导体开关器件在其设计中提出了几个挑战。具体地，碳化硅半导体开关器件中功率密度的增加和电场的集中经常导致包含其的电源模块的长期可靠性问题。测量电源模块可靠性的一种方法是进行测试，该测试称为温度、湿度和偏差(THB)测试。传统上，通过在具有固定温度(例如，85℃)和相对湿度(例如，85％)的环境中提供被测器件(DUT)，同时在反向偏置(即，阻断)状态下在DUT上提供固定偏置电压(例如，100V)，来进行THB测试。DUT应能够维持器件上的偏置电压数千小时而不击穿(即超过通过器件的漏电流的阈值)，以确保DUT在生产环境中的可靠性。最近，已经出现针对高功率器件的更严格的THB测试，其中，在上述相同条件下，在器件上提供80％的DUT额定电压。在业界被称为“THB80”或“HV-H3TRB”(高压、高温、高反向偏置)测试，这些可靠性测试更准确地反映了正在使用的器件的可靠性，并且是将在室外电力系统等恶劣环境中运行的电源模块的可靠性的关键指标。值得注意的是，可以在管芯级和模块级进行THB测试。当在管芯级执行THB测试时，半导体管芯经受上述条件，并且评估管芯的可靠性。当在模块级执行THB测试时，包括几个半导体管芯的组装电源模块经受上述条件，并且整体评估模块的可靠性。在模块级执行的THB测试明显更难通过，因为电源模块的复杂性明显大于单个半导体管芯的复杂性，因此与半导体管芯相比，存在更多的故障点。此外，当与从包括在电源模块内的半导体管芯上执行的THB测试推断可靠性相比时，在模块级执行的THB测试更有可能指示电源模块的现实世界可靠性。随着包括碳化硅开关半导体器件的电源模块变得越来越流行，客户对用于恶劣环境的这些电源模块的需求也同样增长。然而，迄今为止，包括碳化硅半导体开关元件的电源模块的可靠性已经证明是在这些空间中采用其的障碍。具体地，迄今为止，包括碳化硅半导体开关元件的电源模块在上述THB80测试中不能获得令人满意的性能。鉴于上述情况，目前需要提高耐用性和可靠性的包括碳化硅半导体开关元件的电源模块。
技术实现思路
在一个实施方式中，电源模块包括：第一端子；第二端子；以及多个碳化硅(SiC)半导体管芯，其耦合在第一端子和第二端子之间。所述多个半导体管芯被配置为在前向导通操作模式期间，为从第一端子到第二端子的电流流动提供低电阻路径，使得第一端子和第二端子之间的电阻小于100mΩ。此外，半导体管芯被配置为在前向阻断操作模式期间，为从第一端子到第二端子的电流流动提供高电阻路径，使得当在第一端子和第二端子上提供电源模块的额定电压的至少80％的电压时，第一端子和第二端子之间的泄漏电流小于20mA，其中，所述电源模块的额定电压至少为600V。所述电源模块能够在至少85℃的温度和至少85％的相对湿度下在至少1000小时的周期内在第一端子和第二端子上无故障地保持额定电压的至少80％的电压。在一个实施方式中，每个半导体管芯包括衬底、衬底上的漂移层和漂移层上的钝化层堆叠。钝化层堆叠包括多个钝化层，使得钝化层的成分在至少第一材料和第二材料之间交替。以这种方式设置钝化层堆叠实质上增加了电源模块的可靠性，因为这防止了分层和腐蚀，这些分层和腐蚀会损坏电源模块的半导体管芯并导致其故障。在一个实施方式中，每个半导体管芯中漂移层上的钝化层堆叠包括至少四层。此外，钝化层堆叠可以具有至少1.6μm的厚度。提供厚度至少为1.6μm的钝化层堆叠进一步防止分层和腐蚀，这些分层和腐蚀会损坏电源模块的半导体管芯并导致其故障。在一个实施方式中，每个半导体管芯包括衬底上与漂移层相对的背面金属化层。背面金属化层可以形成金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的漏极触点和/或肖特基二极管的阳极触点，并且基本上不含银。通过使用基本上不含银的背面金属化层，可以防止通常位于背面金属化层中的银的电迁移，从而通过减少经常由此引起的短路来增加电源模块的可靠性。在一个实施方式中，电源模块还包括功率电子衬底，半导体管芯经由管芯附着材料安装在该功率电子衬底上。功率电子衬底和管芯附着材料都基本上不含银。因此，可以防止通常位于功率电子衬底和管芯附着材料中的银的电迁移，从而通过减少由此引起的短路来增加电源模块的可靠性。在结合附图阅读优选实施方式的以下详细描述后，本领域技术人员应当理解本公开的范围并实现其额外方面。附图说明并入说明书并形成本说明书的一部分的附图说明了本公开的几个方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。图1是根据本公开的一个实施方式的电源模块的等轴视图；图2A和2B是根据本公开的一个实施方式的电源模块的功能示意图；图3是根据本公开的一个实施方式的电源模块的功能示意图；图4是根据本公开的一个实施方式的电源模块的一部分的剖视图；图5是根据本公开的一个实施方式的半导体管芯的剖视图；图6A和6B是根据本公开的一个实施方式的形成在半导体管芯上的半导体器件的剖视图；图7是示出根据本公开的一个实施方式的用于制造电源模块的过程的流程图。具体实施方式下面阐述的实施方式表示使本领域技术人员能够实践实施方式的必要信息，并示出了实践实施方式的最佳模式。根据附图阅读以下描述后，本领域技术人员应当理解本公开的概念，并且将认识到这些概念在本文没有特别提及的应用。应当理解，这些概念和应用落在本公开和所附权利要求的范围内。应当理解，尽管术语第一、第二等可以在本文用于描述各种元件，但是这些元件不应该受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一种元件和另一种元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以称为第二元件，并且类似地，第二元件可以称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。应当理解，当诸如层、区域或衬底等元件称为“在另一元件上”或延伸到“另一元件上”时，可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件称为“直接在另一元件上”或“直接在另一元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电源模块，包括：/n第一端子和第二端子；/n多个碳化硅(SiC)半导体管芯，耦合在所述第一端子和所述第二端子之间，多个所述半导体管芯被配置为使得所述电源模块：/n在前向导通操作模式期间，为从所述第一端子到所述第二端子的电流流动提供低电阻路径，使得所述第一端子和所述第二端子之间的电阻小于100mΩ；并且/n在前向阻断操作模式期间，为从所述第一端子到所述第二端子的电流流动提供高电阻路径，使得当在所述第一端子和所述第二端子上提供电源模块的额定电压的至少80％的电压时，所述第一端子和所述第二端子之间的泄漏电流小于20mA，其中，所述电源模块的额定电压至少为600V，并且所述电源模块能够在至少85℃的温度和至少85％的相对湿度下在至少1000小时的周期内在第一端子和第二端子上无故障地保持额定电压的至少80％的电压。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170515 US 15/594,8681.一种电源模块，包括：
第一端子和第二端子；
多个碳化硅(SiC)半导体管芯，耦合在所述第一端子和所述第二端子之间，多个所述半导体管芯被配置为使得所述电源模块：
在前向导通操作模式期间，为从所述第一端子到所述第二端子的电流流动提供低电阻路径，使得所述第一端子和所述第二端子之间的电阻小于100mΩ；并且
在前向阻断操作模式期间，为从所述第一端子到所述第二端子的电流流动提供高电阻路径，使得当在所述第一端子和所述第二端子上提供电源模块的额定电压的至少80％的电压时，所述第一端子和所述第二端子之间的泄漏电流小于20mA，其中，所述电源模块的额定电压至少为600V，并且所述电源模块能够在至少85℃的温度和至少85％的相对湿度下在至少1000小时的周期内在第一端子和第二端子上无故障地保持额定电压的至少80％的电压。


2.根据权利要求1所述的电源模块，其中，多个所述半导体管芯中的每一个包括：
衬底；
所述衬底上的漂移层；以及
所述漂移层上的钝化层堆叠，所述钝化层堆叠包括至少四个钝化层，使得所述至少四个钝化层的成分在至少第一材料和第二材料之间交替。


3.根据权利要求2所述的电源模块，其中，所述第一材料和所述第二材料是氮化硅(SiN)、二氧化硅(SiO2)和氮氧化硅(SiON)中的不同材料。


4.根据权利要求2所述的电源模块，其中，所述钝化层堆叠具有至少1.6μm的厚度。


5.根据权利要求2所述的电源模块，其中，多个所述半导体管芯中的每一个还包括所述衬底上与所述漂移层相对的背面金属化层，使得所述背面金属化层基本上不含银。


6.根据权利要求5所述的电源模块，还包括功率电子衬底，多个所述半导体管芯经由管芯附着材料安装在所述功率电子衬底上，其中，所述功率电子衬底和所述管芯附着材料基本上不含银。


7.根据权利要求2所述的电源模块，还包括功率电子衬底，多个所述半导体管芯经由管芯附着材料安装在所述功率电子衬底上，其中，所述功率电子衬底和所述管芯附着材料基本上不含银。


8.根据权利要求1所述的电源模块，其中，多个所述半导体管芯中的每一个包括：
衬底；
所述衬底上的漂移层；以及
所述衬底上与所述漂移层相对的背面金属化层，其中，所述背面金属化层基本上不含银。


9.根据权利要求8所述的电源模块，其中，
金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET形成在多个半导体管芯中的至少一个的漂移层中；并且
所述背面金属化层提供所述MOSFET的漏极触点。


10.根据权利要求9所述的电源模块，其中，
肖特基二极管形成在多个所述半导体管芯中的至少一个的漂移层中；并且
所述背面金属化层提供肖特基二极管的阳极触点。


11.根据权利要求8所述的电源模块，其中，
肖特基二极管形成在多个所述半导体管芯中的至少一个的漂移层中；并且
所述背面金属化层提供肖特基二极管的阳极触点。


12.根据权利要求8所述的电源模块，其中，所述背面金属化层包括锡、镍和金。


13.根据权利要求8所述的电源模块，其中，多个所述半导体管芯中的每一个还包括与所述衬底相对的漂移层上的正面金属化层，其中，所述正面金属化层包括第一层钛和在所述第一层上包含铝、镍和金的第二层。


14.根据权利要求1所述的电源模块，还包括功率电子衬底，其中，多个所述半导体管芯安装在所述功率电子衬底上。


15.根据权利要求14所述的电源模块，其中，所述功率电子衬底基本上不含银。


16.根据权利要求15所述的电源模块，其中，所述功率电子衬底是直接键合铜(DBC)功率电子衬底。


17.根据权利要求15所述的电源模块，其中，多个所述半导体管芯被使用基本上不含银的管芯附着材料安装在所述功率电子衬底上。


18.根据权利要求17所述的电源模块，其中，所述管芯附着材料包括锡和锑。


19.根据权利要求14所述的电源模块，其中，多个所述半导体管芯被使用基本上不含银的管芯附着材料安装在所述功率电子衬底上。


20.根据权利要求19所述的电源模块，其中，所述管芯附着材料包括锡和锑。

【专利技术属性】
技术研发人员：姆里纳尔·K·达斯，亚当·巴克利，布赖恩·费策尔，乔纳森·扬，范·梅奇科夫斯基，斯科特·艾伦，
申请(专利权)人：克利公司，
类型：发明
国别省市：美国;US