半导体器件子组件制造技术

本文公开了一种半导体器件子组件，该半导体器件子组件包括：多个第一类型的半导体单元，多个第二类型的半导体单元；多个导电块，该多个导电块可操作地与多个半导体单元耦合，导电可延展层，该导电可延展层可操作地与多个导电块耦合，其中，多个导电块位于导电可延展层与多个半导体单元之间。在使用中，该多个导电块中的至少一些被配置成当预定压力被施加到半导体器件子组件时，在导电可延展层上施加压力。至少一个第二类型的半导体单元被配置成承受大于阈值压力的施加压力。受大于阈值压力的施加压力。受大于阈值压力的施加压力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体器件子组件


[0001]本公开涉及一种半导体器件子组件。

技术介绍

[0002]各个半导体芯片可以在单一压力接触外壳内并联连接，以提供包含多芯片的单一器件，该单一器件具有理想地是包含在外壳内的所有芯片的能力之和的电流处理能力。
[0003]为了多芯片器件的最佳性能，必须满足以下要求：
[0004]-跨越每个芯片以及在芯片之间的压力分布应该是均匀的。
[0005]-所施加的压力应该在限定的操作范围内。
[0006]WO/2017/220955演示了一种多芯片半导体器件子组件，该多芯片半导体器件子组件包括与每一个半导体单元对齐的盘簧的堆叠体，使用内部支撑框架来限制盘簧的位移，并且使用具有多个通孔以及平坦的、可延伸的导电膜片的圆盘来提供盘簧的电流旁路。这在图1中示出。
[0007]在操作期间，半导体芯片中耗散的功率使其变热。芯片具有用于安全操作的限定的最高温度。因此，在典型的应用中，必须对芯片进行冷却以确保将其保持在安全温度范围内。通过主电极的传导从芯片吸取热量。可以使用液体冷却散热器将热量传递到液体冷却剂，或者使用空气冷却散热器将热量传递到空气。
[0008]按照WO/2017/220955中所示的器件，仅通过一个与半导体单元直接压力接触的电极可以实现显著的热传递。图2中示出了这种热传递50。使用盘簧的堆叠体(其对于确保压力均匀性是至关重要的)可以将芯片与器件的弹簧支撑侧上的主电极之间的热传递效率降低到在这个方向上的热传递被认为是可忽略的程度。WO/2017/220955还演示了替代性的器件，其中省略了盘簧，而是将膜片设计成用作弹簧机构。
[0009]从芯片到器件的主电极的热量传递的效率决定了芯片中可以耗散的功率量。盘簧堆叠体或弹性膜片的存在意味着热量仅能通过器件的无弹簧侧50被吸取。
[0010]典型的高功率单一芯片压力接触半导体器件(例如，晶闸管)不使用盘簧堆叠体，而是在器件的两侧上使用固体电极17、18(如图3所示)。这允许从芯片到两个主电极的热传递。
[0011]传统的多芯片压力接触半导体器件采用类似的方法，以允许热量传递到两个主电极，如图4所示。然而，以此方式制造的器件具有严重的设计缺陷。当操作这种器件时，在冷却器件的外表面的同时，由器件内的芯片生成热量。这意味着器件的主电极的内表面比其外表面更热。这种温度失配导致通过电极的不同热膨胀。当内表面较热时，他们比外表面膨胀的程度更大，这导致电极弯曲。
[0012]由于主电极材料具有一定的弹性，因此可以容许少量的变形，这意味着压力接触维持非常低水平的变形。然而，主电极的变形会导致与一些芯片的压力接触的完全损失，这意味着严重损害了受影响的芯片的冷却。变形的水平随着电极面积的增加而显著增加。这意味着，该方法仅适用于具有包含少量芯片的较小总接触面积的器件。当以这种方式设计
包含大量芯片的大面积器件时，电极的弯曲如此之大以至于显著地损害了这种器件的性能。
[0013]Tinschert等人在2015年发表的《压装IGBT中的可能的失效模式》(“Possible failure modes in Press-Pack IGBTs”)对传统设计压装IGBT器件的劣化可靠性进行了研究。作者推断，过早失效是器件中某些芯片的过压和欠压混合的结果，这是由器件的主电极的热机械变形造成的。该论文表示，对于传统构造的IXYS多芯片压力接触器件，在ΔTj为78℃的情况下，失效循环为约6000个循环。这与单一芯片压力接触器件相比是不利的，对于单一芯片压力接触器件，在80℃的ΔTj下，失效循环远远超过100000个循环。
[0014]Frank，Φyvind Bjerke在2014年发表的《压装IGBT芯片的功率循环测试》(“Power Cycle Testing of Press-Pack IGBT Chips”)跟进了Tinschert等人(2015)的研究工作。各个压装IGBT芯片经受功率循环。作者发现，各个芯片的寿命比完全组装的器件大几个数量级，这表明传统的多芯片压力接触器件设计显著地限制了它们的预期寿命。

技术实现思路

[0015]根据本公开的一个方面，提供了一种半导体器件子组件，该半导体器件子组件包括：多个第一类型的半导体单元；多个第二类型的半导体单元；多个导电块，该多个导电块可操作地与多个半导体单元耦合；导电可延展层，该导电可延展层可操作地与多个导电块耦合，其中，多个导电块位于导电可延展层与多个半导体单元之间。在使用中，多个导电块中的至少一些被配置成当预定压力被施加到半导体器件子组件时，在导电可延展层上施加压力；并且至少一个第二类型的半导体单元被配置成承受大于阈值压力的施加压力。
[0016]应当理解，预定压力(或总器件负载)被施加到包括第一类型的半导体单元和第二类型的半导体单元的整个器件组件。阈值压力是预定压力的一部分，并且阈值压力是相对于第一类型的半导体单元施加的。超过阈值负载的所有压力或负载由第二类型的半导体单元支撑。超过阈值负载的压力是施加到第二类型半导体单元的承受压力。
[0017]多个第二类型的半导体单元可以横向地位于多个第一类型的半导体单元之间。至少一个第二类型的半导体单元可以被配置成限制多个第一类型的半导体单元的位移。与每一个第一类型的半导体单元相比，至少一个第二类型的半导体单元可以具有实质上更大的面积。子组件被可以配置成使得在施加压力之后，通过至少一个第二类型的半导体单元在相对方向上建立导热路径。至少一个第一类型的半导体单元可以是绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)单元。至少一个第二类型的半导体单元可以是二极管单元。
[0018]专利技术人已经意识到，从芯片到器件的主电极的热量传递的效率决定了芯片中可以耗散的功率量。如果热阻减小，则在芯片中可以耗散更大的功率。如果还可以实现向器件的弹簧侧上的主电极的热传递的方法，则可以减小热阻，并且可以增加所容许的功率耗散。
[0019]在现有技术的器件中，使用多个小面积二极管来构成器件的二极管元件。在本公开中，二极管元件可以由单一大面积二极管芯片提供。单一大面积二极管芯片有助于整个器件的冷却。二极管芯片允许热量从器件的顶部和底部(或器件的相对方向)耗散。应当理解，大面积二极管芯片是单一二极管芯片，并且单一二极管芯片的总面积是半导体器件子组件的总面积的大约25％至50％。
[0020]盘簧的堆叠体可以与IGBT芯片中的每一个对齐地结合，但是与现有技术中的器件
相反，没有盘簧与二极管芯片对齐地使用。相反，弹簧定位器在该区域中可以是实心的。在这种情况下，通过将可延展层弯曲至预定水平来实现基本上均匀的压力分布。
[0021]半导体器件子组件可以还包括：
[0022]第一电极，该第一电极直接地可操作地连接到多个半导体单元；以及
[0023]第二电极，该第二电极可操作地连接到导电可延展层。
[0024]第一电极可以位于子组件的顶表面上，并且第二电极可以位于子组件的底表面上。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体器件子组件，包括：多个第一类型的半导体单元；多个第二类型的半导体单元；多个导电块，所述多个导电块可操作地与所述多个半导体单元耦合；导电可延展层，所述导电可延展层可操作地与所述多个导电块耦合，其中，所述多个导电块位于所述导电可延展层与所述多个半导体单元之间；并且其中，在使用中，所述多个导电块中的至少一些被配置成当预定压力被施加到所述半导体器件子组件时，在所述导电可延展层上施加压力；并且其中，至少一个第二类型的半导体单元被配置成承受大于阈值压力的施加压力。2.根据权利要求1所述的半导体器件子组件，其中，所述多个第二类型的半导体单元横向地位于所述多个第一类型的半导体单元之间。3.根据权利要求1或2所述的半导体器件子组件，其中，至少一个第二类型的半导体单元被配置成限制所述多个第一类型的半导体单元的位移。4.根据任一前述权利要求所述的半导体器件子组件，其中，与每一个第一类型的半导体单元相比，至少一个第二类型的半导体单元具有实质上更大的面积。5.根据任一前述权利要求所述的半导体器件子组件，其中，所述子组件被配置成使得在施加所述压力之后，通过至少一个第二类型的半导体单元在相对方向上建立导热路径。6.根据任一前述权利要求所述的半导体器件子组件，其中，至少一个第一类型的半导体单元是绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)单元。7.根据任一前述权利要求所述的半导体器件子组件，其中，至少一个第二类型的半导体单元是二极管单元。8.根据任一前述权利要求所述的半导体器件子组件，还包括：第一电极，所述第一电极直接地可操作地连接到所述多个半导体单元；以及第二电极，所述第二电极可操作地连接到所述导电可延展层。9.根据权利要求8所述的半导体器件子组件，其中，所述第一电极位于所述子组件的顶表面上，并且所述第二电极位于所述子组件的底表面上。10.根据权利要求1所述的半导体器件子组件，其中，所述导电块中的至少一些被配置成使所述导电可延展层弯曲。11.根据权利要求10所述的半导体器件子组件，还包括支座板，与所述导电块耦合到的所述导电可延展层的表面相比，所述支座板可操作地与所述导电可延展层的相对表面连接。12.根据任一前述权利要求所述的半导体器件子组件，其中，所述导电可延展层和所述导电块使用一块材料形成。13.根据权利要求11或12中的任一项所述的半导体器件子组件，其中，所述支座板和所述导电可延展层使用一块材料形成。14.根据权利要求11至13中的任一项所述的半导体器件子组件，其中，所述支座板、所述导电可延展层、和所述导电块使用一块材料形成。15.根据任一前述权利要求所述的半导体器件子组件，还包括半导体单元定位器，所述半导体单元定位器包括多个孔，其中，所述多个半导体单元中的至少一些位于所述半导体
单元定位器的所述孔中的至少一些中。16.根据任一前述权利要求所述的半导体器件子组件，还包括用于向所述多个半导体单元施加压力的多个压力装置，其中，所述导电可延展层位于所述多个压力装置与所述半导体单元定位器之间。17.根据权利要求16所述的半导体器件子组件，其中，所述压力装置包括弹簧。18.根据权利要求16或17所述的半导体器件子组件，其中，所述多个第一类型的半导体单元中的至少一个垂直地位于压力装置上方。19.根据权利要求16至18中的任一项所述的半导体器件子组件，其中，所述多个第二类型的半导体单元中的至少一个不位于压力装置上方。20.根据权利要求16至19中的任一项所述的半导体器件，其中，所述多个压...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：株洲中车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：