本发明专利技术名称为功率半导体模块及制造功率半导体模块的方法，涉及功率半导体模块，包括半导体器件(12)，尤其是绝缘栅双极晶体管、反向导电绝缘栅双极晶体管或双模绝缘栅晶体管，具有发射电极和集电极，将导电上层(14)烧结到发射电极，上层(14)至少部分地能够与半导体器件(12)的半导体形成共晶体，且至少部分地具有如下热膨胀系数：与半导体的热膨胀系数相差的范围是≤250％、尤其是≤50％，以及将导电基板(20)烧结到集电极。半导体模块(10)还包括与基板(20)电隔离且经由直接电连接(22)连接到上层(14)的导电区(24)。根据本发明专利技术的半导体模块易于制备，具有改进可靠性且呈现短路故障模式能力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及功率半导体模块以及制造功率半导体模块的方法。具体来说，本专利技术涉及具有短路故障模式能力的功率半导体模块以及制造具有短路故障模式能力的功率半导体模块的方法。
技术介绍
在例如用于HVDC应用中的这类模块的串联连接叠层等的高功率半导体模块的情 况下，已经发现缺陷导致短路。对于大芯片面积，这种短路在长时间保持稳定。如果例如冗余晶闸管设置在串联连接的晶闸管的叠层中，则其余完整无缺的晶闸管耐受关断阶段期间的电压，并且该叠层保持为可操作。随后能够在计划维修工作的过程中更换有缺陷的晶闸管。在晶闸管模块中，例如，半导体(也就是说硅)与两个钥晶圆进行机械和电接触并且设置在两个钥晶圆之间。硅(Si)具有1420°c的熔点，其中钥(Mo)的熔点较高，并且硅和钥的金属间化合物具有甚至更高的熔点。因此，在存在缺陷的情况下，硅首先局部熔化，并且当电流流动时，它形成由半导体的整个厚度之上的熔化Si所组成的导电通道。这个缺陷区域能够扩散和/或移动，但是仅将影响芯片面积的小部分。在密封壳体中，熔化Si没有氧化，而是与钥起反应以形成一种类型的粉末。这个过程继续进行到已经消耗所有Si，并且可能会延续数年。与晶闸管半导体组件形成对照，例如，绝缘栅双极晶体管芯片不是作为大面积单元制造的，因此通常多个小面积的单独芯片相互隔离并且并排设置在绝缘栅双极晶体管模块中。通常，小面积芯片的芯片尺寸是在O. 25cm2至IOcm2之间。当今的作为大面积单元的一个示例的晶闸管具有IOcm2至300cm2的典型尺寸。已经发现，例如对于绝缘栅双极晶体管模块，不能预计上述类型的长期稳定短路。这主要是由于各个芯片的已减小面积以及小的硅体积。在这种情况下，短路的伪稳态阶段仅持续几个小时至几天。此外，壳体往往有意没有密封，使得熔化硅能够与氧起反应，并且形成绝缘硅石(SiO2)。在有缺陷的芯片中没有任何稳定短路通路的情况下，能够发生的最坏情况的情形如下所述如果模块中的其余芯片(包括激励)仍然完整无缺，则它们能够耐受关断阶段期间的电压。然后迫使电流通过有缺陷芯片，并且在完整无缺的芯片的高达击穿电压的电压下，能够导致形成具有极高功率密度的等离子体。这引起整个模块被破坏。为了避免这个问题，从EP 0989611B1已知的是ー种功率半导体模块，该模块由小面积的单独芯片来形成，并且其中単独芯片的短路没有导致模块的整体故障。按照这种现有技术，使由适当材料(例如银)构成的金属层与硅半导体的主电极中的ー个或两个直接接触。这种金属层的材料必须与半导体的硅形成共晶混合物。在短路的情况下，加热整体夹合结构(sandwich structure),—旦达到共晶混合物的熔点，导电熔化开始在所述金属层与硅之间的接触表面上形成。这个区域则能够在半导体的整个厚度之上扩展，并且因而形成金属导电通道，其又称作热点。充分电接触由此通过电接触活塞来提供。关于金属层的厚度，金属层必须提供足够的材料来形成通过半导体的整个厚度的导电通道。如果金属层的厚度是半导体厚度的至少50%，则情况通常是这样。在理想情况下，金属层的材料的摩尔量与硅的摩尔量之间的比率应当近似等于这些材料在相图中的其共晶点处的摩尔比率，使得金属导电通道由共晶材料形成。但是，在引起半导体器件中的大温度摆动的高额定功率的正常操作条件下，引入与半导体接触的金属层在间歇工作负载(IOL)下产生热机疲劳的问题，并且能够因相接触的半导体芯片与金属层之间的热膨胀系数(CTE)的差而引起磨损。这可能潜在地引起半导体芯片的提早故障。 因此，从US 7538436B2已知的是ー种包括使之与半导体芯片的主电极中的ー个或两个直接接触的层的高功率压接封装半导体模块，使用在接触界面的平面中随机定向的、热膨胀系数能够调整成与硅的热膨胀系数接近或匹配的值的ニ维短石墨纤维、由金属基质合成物(MMC)材料来制成所述层。使用对半导体器件施加压カ的接触活塞的这些半导体模块的主要缺点之ー是其老化行为。详细来说，存在滲透接触部之间的硅凝胶导致电流通路的欧姆电阻増加的风险。这个电阻还通过芯片的电极与模块的外部电接触部之间数个这样形成的干式接触部来增カロ。此外，其电流负载受到弹簧形状限制。此外，这种半导体模块的制造是复杂并且成本极闻的。
技术实现思路
因此，本专利技术的ー个目的是提供一种将消除本领域已知的至少ー个缺点的改进功率半导体模块。本专利技术的另ー个目的是提供一种制造将消除本领域已知的至少ー个缺点的功率半导体模块的改进方法。尤其是，本专利技术的ー个目的是提供一种功率半导体模块及其制造方法，其中制造方法易于执行，并且其中功率半导体模块具有良好短路故障模式能力和提高的可靠性。该目的通过如权利要求I所述的功率半导体模块来实现。此外,此目的通过如权利要求16所述的制造功率半导体模块的方法来实现。在从属权利要求中定义了本专利技术的优选实施例。本专利技术涉及ー种功率半导体模块，包括半导体器件，尤其是绝缘栅双极晶体管(IGBT)、反向导电绝缘栅双极晶体管(RC IGBT)或者双模绝缘栅晶体管(BIGT)，其具有发射电极和集电极，其中导电上层通过烧结接合连接到发射电极，上层的材料至少部分地能够与半导体器件的材料形成共晶体，并且至少部分地具有如下热膨胀系数该热膨胀系数与半导体的热膨胀系数相差的范围是250%以下(< 250% )、尤其是50%以下(< 50% )，以及其中导电基板通过另ー个烧结接合连接到集电极，以及其中半导体模块还包括与基板电绝缘并且经由直接电连接连接到上层的导电区。按照本专利技术，上层包括通过烧结过程使半导体器件或者其发射极相应地与其直接接触的适当材料。该层的所述材料必须与半导体、特别是与硅相应地形成共晶体或共晶混合物。在短路的情况下，加热整体夹合结构，一旦达到共晶混合物的熔点，导电熔化开始在所述层与半导体之间的接触表面上形成。这个区域则能够在半导体的整个厚度之上扩展，并且因而形成金属导电通道。因此，按照本专利技术的半导体模块提供短路故障模式(SCFM)能力。因此，按照本专利技术的短路故障模式能力基于因故障所诱发的能量耗散而引起的材料熔化。硅芯片以及附连到其发射极接触部的诸如铝、金、铜或银之类的适当金属部分熔化并且产生高导电合金，即所谓的热点。由于按照本专利技术的功率半导体模块的短路故障模式能力，这些模块可优选地是电压源转换器(VSC)的组件，因为它们允许所述转换器的长期可靠操作。在短路的情况下，它们不再能够进行切換。但是，它们仍然可携帯负载电流。主要地，在系统中存在冗余度，并且其它模块能够共享电压，因为出故障的模块仅具有电阻器的功能。转换器或半导体模块 相应地则通常仅要求常规的计划维护来更换出故障模块。另外，由于上层的热膨胀系数与半导体的热膨胀系数相差的范围是< 250%、尤其是< 50%的事实，所以半导体模块内部、尤其是上层与半导体之间的应カ可减小。这产生如下优点功率模块内部的内部应カ的风险没有超过上限，并且因而降低形成裂缝的风险。如果半导体器件是高功率半导体器件、特别是高功率绝缘栅双极晶体管，则这种效果特别重要。因此，按照本专利技术的功率半导体模块的可靠性得到提高。由于将上层以及基板相应地烧结到半导体或者其电极的事实，因而不需要提供通过将压力施加到上层的接触活塞所形成的干式接触部。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
2011.02.18 EP 11154920.01.ー种功率半导体模块，包括半导体器件(12)，尤其是绝缘栅双极晶体管、反向导电绝缘栅双极晶体管或者双模绝缘栅晶体管，其具有发射电极和集电极，其中导电上层(14)通过烧结接合连接到发射电极，所述上层(14)的材料至少部分地能够与所述半导体器件(12)的材料形成共晶体，并且所述上层(14)至少部分地具有如下热膨胀系数该热膨胀系数与所述半导体器件的热膨胀系数相差的范围是< 250%、尤其是< 50%，以及其中导电基板(20)通过另ー个烧结接合连接到所述集电极，以及其中所述功率半导体模块(10)还包括与所述基板(20)电绝缘并且经由直接电连接(22)连接到所述上层(14)的导电区(24)。2.如权利要求I所述的功率半导体模块，其中，所述上层(14)包括至少两个子层，其中下子层(16)能够与所述半导体器件(12)的半导体形成共晶体，并且其中上子层(18)具有如下热膨胀系数该热膨胀系数与所述半导体的热膨胀系数相差的范围是< 250%、尤其是< 50%。3.如权利要求2所述的功率半导体模块，其中，所述下子层(16)包括铝、银、金或铜，和/或其中所述上子层(18)包括钥，和/或其中所述下子层(18)的厚度至少为所述半导体组件(12)的厚度的50%。4.如权利要求I所述的功率半导体模块，其中，所述上层(14)包括合成材料，尤其是铝-石墨合成物或者铝-钥-铝叠层。5.如权利要求I至4中的任一项所述的功率半导体模块，其中，所述上层(14)的厚度至少为所述半导体器件(12)的厚度的50%，和/或具有至少O. 05mm、更优选地为至少O.2mm以及最优选地为至少O. 3mm的厚度。6.如权利要求I至4中的任一项所述的功率半导体模块，其中，所述基板(20)至少部分地具有如下热膨胀系数该热膨胀系数与所述半导体的热膨胀系数相差的范围是く 250%、尤其是彡50%。7.如权利要求5所述的功率半导体模块...
【专利技术属性】
技术研发人员：柳春雷，N·舒尔茨，S·基辛，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：
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