【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及功率半导体晶片与pcb之间的连接可靠性和寿命方面的改善，特别地，涉及嵌入在pcb中并且通过通孔连接至这种pcb的导电层的半导体晶片。
技术介绍
1、目前电力电子的一个主要问题是由于功率模块在功率转换系统中的重要位置以及它们的高成本而造成的功率模块的可靠性。在将功率半导体连接至pcb的传统功率半导体模块上，焊接接合和引线接合退化因此在文献中受到很大程度的争论。将半导体晶片与pcb基板内部的通孔连接的技术使得能够提高功率半导体晶片的可靠性和效率。然而，特定的环境不能避免因不同材料(例如，铜、fr4和si、sic或gan)之间的cte(热膨胀系数)不匹配而造成的故障。在这样的情况下，由于不匹配的热膨胀特性而造成的机械应力将导致疲劳损坏，并因此导致pcb的分层和组件的断裂。
2、作为示例，在被嵌入pcb中或者以均匀通孔图案连接至pcb的晶片的现有技术实现中，在晶片与通孔连接的功率半导体晶片表面上的温度不恒定，从而可能发生将这种功率半导体晶片连接至pcb的较热区域的过早劣化。另外，随着劣化的增加，将进一步增加的所涉及区域上的温度将加速甚至更多的劣化，这急剧降低了pcb嵌入式半导体晶片的可靠性。
3、为了减少晶片附近的疲劳，存在一些解决方案，诸如使用特定的焊接界面技术。
4、作为示例，通过将球接合以诸如文献us 8008786 b2中公开的特定图案来布置，施加在晶片上的张力以与来自热变化的机械应力相反的方式起作用。因此，减少了晶片上的疲劳并提高了可靠性。
5、文献us 6897568
6、在以本申请人名义的文献ep 3745828 a1中，公开了一种使用诸如激光通孔钻孔和电沉积之类的传统pcb制造技术来提供高密集度(density)通孔的技术。这有助于在晶片与顶部铜层和底部铜层之间具有低热连接。此外，该文献提供了一种能够在专用区域上改变通孔布置的pcb制造工艺。
技术实现思路
1、为了解决与功率半导体晶片的较热区域的连接过早劣化的问题，本公开提出了基于实际功率半导体晶片上的温度分布的连接图案，以便使这种晶片上的机械应力平衡。由于温度分布更均匀，这提供了更好的性能和更长的寿命。
2、更精确地，本公开涉及一种功率模块，该功率模块包括功率半导体晶片和至少一个基板，所述至少一个基板包括与所述晶片的金属化连接表面接触的绝缘层、以及处于该绝缘层的与晶片的金属化连接表面相对的面上的导电层上的至少一个导电路径，并且其中，所述绝缘层包括填充有导电材料以在所述晶片的所述金属化连接表面与所述导电路径之间提供连接焊盘的通孔，其中，所述通孔以从当晶片在运行时从所述金属化连接表面的热点位置到所述金属化连接表面的外围区域减小的密集度来布置。
3、这在运行中，特别是在温度循环发生时，减小了接合层上的热应力。
4、优选地，位于所述运行中的半导体晶片内的温度降低区域上的通孔的密集度被降低。
5、这增加了发生低温的rth。
6、在第二实施方式中，所述通孔被布置为围绕至少一个空腔周围的外围区域，所述至少一个空腔的长度和宽度大于所述绝缘层中的通孔的直径，所述通孔和所述空腔填充有导电材料，以分别形成将所述金属化连接表面和所述导电路径接合的连接焊盘和连接块，所述连接焊盘和所述连接块在所述模块中提供所述晶片和所述导电层的所述导电路径的机械、电以及热接合层。
7、这准许晶片与基板的导电路径之间的区域具有低热阻和固体接头。
8、作为绝缘层中的通孔的所述空腔的长度和宽度可以优选地大于或等于四个通孔的长度和宽度。
9、在这样的实施方式中，可以降低大的热点上方的连接部的温度，并且这提供了基板上的导电路径与晶片的金属化连接表面之间的坚固接头以及该接头中更均匀的热分布。
10、所述通孔的分布和所述空腔的尺寸可以限定为在所述金属化连接表面的较高晶片温度区域中减小连接层的热阻rth，并且在所述连接表面的较低温度区域中增加接合层的热阻，从而在功率模块的运行期间增加所述接合层和连接表面的温度的均匀性。
11、绝缘层可以是具有至少一个切割空腔的pcb绝缘层，所述至少一个切割空腔填充有用于提供所述连接块的导电材料。
12、pcb可以是环氧树脂加玻璃纤维pcb。
13、所述导电材料可以是电沉积铜。
14、这准许使用传统的pcb制造技术。
15、本公开还提出了一种功率模块，该功率模块包括：根据本公开的具有上导电路径的第一基板，该上导电路径连接至功率半导体晶片的上侧金属化连接表面；以及根据本公开的具有下导电路径的第二基板，该下导电路径连接至功率半导体晶片的下侧金属化连接表面，其中，在第一基板的绝缘层与第二基板的绝缘层之间围绕所述功率半导体晶片的横侧设置了间隔体层。
16、晶片可以包括命令接触，该命令接触利用一个或更多个通孔连接至模块的一侧。
17、这允许将本专利技术与晶体管或其它三端子组件一起使用。
18、本公开还涉及一种用于制造功率模块的基板，该基板具有连接区域，半导体晶片金属化连接表面将以机械、电以及热方式连接至该连接区域，该基板包括pcb绝缘层，并且其中，所述连接区域包括通孔和由所述通孔围绕的至少一个空腔，该通孔具有沿所述连接区域的外边界的方向减小的密集度，并且其中，所述基板包括pcb导电层，该pcb导电层具有包括所述连接区域的至少一个导电路径。
19、所述空腔和通孔优选地被设计为填充有导电材料，以提供所述连接块和所述连接焊盘与所述至少一个导电路径的所述连接区域之间的连接。
20、优选地，通孔具有从连接区域的中心到该连接区域的外边界减小的密集度。
21、本公开还涉及本公开的功率模块的制造方法，该制造方法包括：在基板的绝缘层的与所述晶片的所述金属化连接表面相对的一侧上提供至少一个导电路径的步骤；在所述绝缘层中钻孔以形成所述通孔的步骤，所述通孔具有从所述金属化连接表面的中心到所述金属化连接表面的外围区域减小的密集度；利用导电材料填充所述通孔从而提供连接焊盘的步骤，所述连接焊盘在所述金属化连接表面与所述导电路径之间提供电连接。
22、所述方法可以包括：切割所述至少一个绝缘层以形成由所述通孔围绕的至少一个空腔的步骤；利用导电材料填充所述空腔以形成连接块的步骤，所述连接块与所述连接焊盘一起提供在所述金属化连接表面与所述导电路径之间的电连接。
23、可以将晶片嵌入在pcb中，所述方法包括以下步骤：
24、-提供具有间隔体层的第一层压层，以形成具有穴体(housing)的底层；
25、-在所述穴本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种功率模块，所述功率模块包括功率半导体晶片和至少一个基板，所述至少一个基板包括与所述功率半导体晶片的金属化连接表面接触的绝缘层、以及处于所述绝缘层的与所述晶片的所述金属化连接表面相对的面上的导电层上的至少一个导电路径并且其中，所述绝缘层包括填充有导电材料以在所述晶片的所述金属化连接表面与所述导电路径之间提供连接焊盘的通孔，其特征在于，所述通孔以从当所述晶片在运行时所述金属化连接表面的至少一个热点位置到所述金属化连接表面的外围区域减小的密集度来布置。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，位于运行中的所述半导体晶片内的温度降低区域上的通孔的密集度被降低。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，所述通孔被设置为围绕至少一个空腔周围的外围区域，所述至少一个空腔的长度和宽度大于所述绝缘层中的所述通孔的直径，所述通孔和所述空腔填充有导电材料，以分别形成将所述金属化连接表面和所述导电路径接合的连接焊盘和连接块，所述连接焊盘和所述连接块在所述模块中提供所述晶片和所述导电层的所述导电路径的机械、电以及热接合层。
4.根据权利要求3所述的功率模块，
5.根据权利要求3或4所述的功率模块，其中，所述绝缘层是具有至少一个切割空腔的PCB绝缘层，所述至少一个切割空腔填充有导电材料以提供所述连接块。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的功率模块，其中，所述导电材料是电沉积铜。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的功率模块，所述功率模块还包括：第一基板，所述第一基板具有上导电路径，所述上导电路径连接至所述功率半导体晶片的上侧金属化连接表面；以及根据前述权利要求中的任一项所述的第二基板，所述第二基板具有下导电路径，所述下导电路径连接至所述功率半导体晶片的下侧金属化连接表面，并且其中，在所述第一基板的所述绝缘层与所述第二基板的所述绝缘层之间围绕所述功率半导体晶片的横侧设置了间隔体层。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的功率模块，其中，所述晶片包括命令接触区域，所述命令接触区域利用一个或更多个通孔连接至所述模块的一侧。
9.一种用于制造根据权利要求1至8中的任一项所述的功率模块的基板，所述基板具有连接区域，半导体晶片金属化连接表面将以机械、电以及热方式连接至所述连接区域，其特征在于，所述基板包括PCB绝缘层，并且其中，所述连接区域包括通孔和由所述通孔围绕的至少一个空腔，所述通孔具有沿所述连接区域的外边界的方向减小的密集度，并且其中，所述基板包括PCB导电层，所述PCB导电层具有包括所述连接区域的至少一个导电路径。
10.根据权利要求9所述的基板，其中，所述通孔具有从所述连接区域的中心到所述连接区域的外边界减小的密集度。
11.一种根据权利要求1至8中的任一项所述的功率模块的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：在所述基板的绝缘层的与所述晶片的所述金属化连接表面相对的一侧上提供至少一个导电路径的步骤；在所述绝缘层中钻孔以形成所述通孔的步骤，所述通孔具有从所述金属化连接表面的中心到所述金属化连接表面的外围区域减小的密集度；利用导电材料填充所述通孔从而提供连接焊盘的步骤，所述连接焊盘在所述金属化连接表面与所述导电路径之间提供电连接。
12.根据权利要求11所述的功率模块的制造方法，所述制造方法还包括：切割所述至少一个绝缘层以形成由所述通孔围绕的至少一个空腔的步骤；利用导电材料填充所述空腔以形成连接块的步骤，所述连接块与所述连接焊盘一起提供所述金属化连接表面与所述导电路径之间的电连接。
13.根据权利要求11所述的功率模块的制造方法，其中，将所述晶片嵌入在PCB中的步骤包括以下步骤：
14.根据权利要求12所述的功率模块的制造方法，其中，将所述晶片嵌入在PCB中的步骤包括以下步骤：
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的制造方法，其中，对所述绝缘层进行钻孔和切割以形成所述通孔和空腔的步骤是利用CO2激光完成的，并且其中，利用导电材料填充所述通孔和所述空腔的步骤以及提供所述导电路径的步骤是通过电沉积工艺完成的。
16.根据权利要求15所述的制造方法，所述制造方法还包括：在对所述绝缘层进行钻孔和切割的步骤之前，使用UV激光去除导电层的在所述通孔的位置和空腔位置上方的部分。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种功率模块，所述功率模块包括功率半导体晶片和至少一个基板，所述至少一个基板包括与所述功率半导体晶片的金属化连接表面接触的绝缘层、以及处于所述绝缘层的与所述晶片的所述金属化连接表面相对的面上的导电层上的至少一个导电路径并且其中，所述绝缘层包括填充有导电材料以在所述晶片的所述金属化连接表面与所述导电路径之间提供连接焊盘的通孔，其特征在于，所述通孔以从当所述晶片在运行时所述金属化连接表面的至少一个热点位置到所述金属化连接表面的外围区域减小的密集度来布置。
2.根据权利要求1所述的功率模块，其中，位于运行中的所述半导体晶片内的温度降低区域上的通孔的密集度被降低。
3.根据权利要求1或2所述的功率模块，其中，所述通孔被设置为围绕至少一个空腔周围的外围区域，所述至少一个空腔的长度和宽度大于所述绝缘层中的所述通孔的直径，所述通孔和所述空腔填充有导电材料，以分别形成将所述金属化连接表面和所述导电路径接合的连接焊盘和连接块，所述连接焊盘和所述连接块在所述模块中提供所述晶片和所述导电层的所述导电路径的机械、电以及热接合层。
4.根据权利要求3所述的功率模块，其中，所述通孔的分布和所述空腔的尺寸被限定为在所述金属化连接表面的较高晶片温度区域中减小连接层的热阻rth，并且在所述连接表面的较低温度区域中增加所述接合层的热阻，从而在所述功率模块的运行期间增加所述接合层和连接表面的温度的均匀性。
5.根据权利要求3或4所述的功率模块，其中，所述绝缘层是具有至少一个切割空腔的pcb绝缘层，所述至少一个切割空腔填充有导电材料以提供所述连接块。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的功率模块，其中，所述导电材料是电沉积铜。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的功率模块，所述功率模块还包括：第一基板，所述第一基板具有上导电路径，所述上导电路径连接至所述功率半导体晶片的上侧金属化连接表面；以及根据前述权利要求中的任一项所述的第二基板，所述第二基板具有下导电路径，所述下导电路径连接至所述功率半导体晶片的下侧金属化连接表面，并且其中，在所述第一基板的所述绝缘层与所述第二基板的所述绝缘层之间围绕所述功率半导体晶片的横侧设置了间隔体层。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的功率模块，其中...
【专利技术属性】
技术研发人员：R·佩林，J·布兰德雷洛，
申请(专利权)人：三菱电机株式会社，
类型：发明
国别省市：
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