半导体模块及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种半导体模块及其制造方法，该半导体模块包括：底板，具有毗邻边缘区域的内部区域；附接至底板的内部区域的基板；以及散热器，底板安装在该散热器上，使得底板介于基板与散热器之间并且底板的内部区域的至少一部分与散热器接触。该模块还具有应力解除机构，所述应力解除机构被构造为允许底板响应于热负荷在边缘区域中弯曲得远离散热器，使得底板的内部区域的至少一部分保持与散热器接触。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及组装半导体模块，更具体地说，涉及组装具有不同热膨胀系数的部件的半导体模块。
技术介绍
能量半导体模块通常包括底板，该底板预弯曲以在一个或多个基板接合至底板以后具有凸起形状。在将底板的相对侧安装至散热器以后，该凸起形状提供更好的热阻抗。热界面材料设置在所述基板与底板之间，并且在凸起形状的底板的情形中成为较薄的层。在用沿着底板的边缘布置的螺钉进行安装的过程中，底板的边缘处向下弯曲以便大约与散热器平齐。底板的弯曲导致基板和安装在基板上的半导体芯片(semiconductor die)的弯曲。取决于接合工艺的种类和使用的条件，底板与基板之间的接合层可以与凸起或者 凹入状的底板共面。因此，在接合至底板以后基板不是必须地具有平坦的形状。在任何情形中，在热负荷下底板的弯曲和基板的相关弯曲均可以导致在陶瓷基板中扩散的裂缝。从热负荷中产生另一种应力。由于基板与底板之间的热膨胀失配(mismatch，不匹配)，整个模块均趋向于在热负荷下变得更加凸起。因为底板固定地平坦夹持在散热器上，所以该底板在热负荷下不能弯曲。因此基板内部(特别地基板的陶瓷材料中)的应力在加热过程中更进一步升高，致使其它裂缝和损坏。由于热膨胀失配而产生另一个问题。设置在底板与基板之间的热界面材料趋于是膏状的。由于在加热过程中整个模块系统的变形是复杂的，因此加热和冷却可能导致热界面材料从基板与底板之间泵出。随着更多的热界面材料被泵出，底板与基板之间的界面的热阻增加，使得模块的整体热性能降低。
技术实现思路
本专利技术提供了安装装置，其限制施加至半导体模块的底板的力，允许底板具有用于良好热阻抗的凸起形状，但是限制安装过程中的弯曲。在用于将底板安装至散热器的螺钉或者夹具处达到最大力的情形中，底板的边缘可以提升(lift)得远离散热器例如约10 i! m或数100 u m。压力还停留在底板的内部区域处，在那里装配装置，即具有半导体芯片的基板。当整个底板不再是在散热器上保持平坦时，热界面材料从内部模块区域泵出的效果减小。这里描述的实施方式限制了底板的安装点处的力，限制了安装过程中底板的弯曲，限制了加热产生的应力，为整个模块系统提供了应力解除并且提供了底板的预弯曲。根据半导体模块的一个实施方式，所述模块包括底板，其具有毗邻边缘区域的内部区域；基板，附接至所述底板的内部区域；以及散热器，底板安装在该散热器上，以使得底板介于基板与散热器之间并且底板的内部区域的至少一部分与散热器接触。该模块还包括应力解除机构，所述应力解除机构被构造为允许底板响应于热负荷在边缘区域弯曲得远离散热器，使得底板的内部区域的至少一部分保持与散热器接触。根据制造半导体模块的方法的一个实施方式，该方法包括提供具有毗邻边缘区域的内部区域的底板；将基板附接至所述底板的内部区域；将所述底板安装在一散热器上以使底板介于所述基板与所述散热器之间，并且所述底板的内部区域的至少一部分与所述散热器接触；以及提供构造为允许底板响应于热负荷在边缘区域中弯曲得远离散热器的应力解除机构，使得底板的内部区域的至少一部分保持与散热器接触。在阅读以下的详细描述且观看附图时本领域的技术人员将会认识到其它的特征和优点。附图说明附图的元件不必相对于彼此按照比例绘制。相同的附图标记表示相应的类似部件。各个所示实施例的特征可以结合在一起，除非它们相互排斥。实施例在附图中示出并且在随后的描述中详细描述。 图I和图2示出了制造半导体模块的方法的实施例；图3A和图3B示出了制造半导体模块的方法的另一个实施例；图4A至图4C示出了制造半导体模块的方法的又一个实施例；图5示出了半导体模块的又一个实施例；图6不出了半导体模块的再一个实施例。具体实施例方式图I和图2示出了制造半导体模块的方法的实施例。在图I中，提供了热导性底板100，其具有毗邻边缘区域104的内部区域102。底板100具有初始凸起形状，因为底板100是向外弯曲或者倒圆的，S卩，边缘区域104比内部区域102进一步地向外弯曲。利用例如诸如焊料等的任何传统基板附接材料112将基板110附接至底板100的内部区域102。一个或多个半导体芯片120附接至基板110的顶表面114，使得基板110介于芯片120与底板100之间。可以利用诸如焊料、扩散焊料、熔结银，熔结铜等将芯片120附接至基板110。基板例如可以是DCB基板(DCB=直接铜熔结)或DAB基板(DAB=直接铝熔结)或AMB基板(AMB=活性金属钎焊),其中，陶瓷材料介于顶部涂敷金属(metallization)与底部涂敷金属之间，并且底部涂敷金属被焊接、钎焊等至底板100的内部区域102。在每种情形中，在基板安装以后底板100均保持其凸起形状。如此，用于将基板110的底部116附接至底板100的材料112具有如图I中示出的椭圆形状。通常，底板100的形状可能更为复杂，但是整体形状可被描述为凸起或椭圆的。图2示出了安装在散热器130上的过程中带有基板110的底板100。底板100安装在散热器130上以使底板100介于基板110与散热器130之间，并且底板100的内部区域102的至少一部分与散热器130接触。在安装过程期间底板100的边缘区域104从其初始位置朝向散热器130向下弯曲。在一个实施例中，整个底板100都抵靠散热器130平坦地安装，在装配基板110以后由于复杂的热机械应力而具有与平坦的一些偏离。在一个替换实施例中，在散热器安装过程中施加更少的力使得底板100保持凸起的形状(尽管与初始提供的相比没那么显著)，其中底板100的内部区域102压在散热器130上且边缘区域104与散热器130相隔开。在任一种情形中，与其初始形状相比底板100均具有改变的形状。提供一种应力解除机构，所述应力解除机构允许底板100响应于施加至模块的热负荷在边缘区域104中弯曲得远离散热器130并且返回其初始形状，使得在热负荷过程中底板100的内部区域102的至少一部分保持与散热器130接触。这样，由于底板弯曲提供的应力经由应力解除机构得以解除，因此更少的应力被施加在基板110上。此外，由于不管热负荷条件如何内部区域102均保持与散热器130接触，因此底板100与散热器130之间的热界面材料150不会沿着底板100的内部区域102被泵出。在一个实施例中，使用经由底板100中的开口 106插入到散热器130中的紧固件160 (诸如螺钉或螺栓)而将底板100安装至散热器130。根据本实施例，应力解除机构可以是介于底板100与紧固件160的头部162之间的弹簧垫圈140，例如如图2中所示的。当在热负荷下由底板100施加的力超过一定阈值时弹簧垫圈140压缩，并且当热负荷减小或者下降时松弛，如通过具有端部箭头的虚线指示的。通过以这种方式压缩，弹簧垫圈140允许底板100在边缘区域中弯曲同时确保在热负荷过程中底板的内部区域的至少一部分保持与散热器接触。如图2中所示的，可以在弹簧垫圈的底部与底板之间设置额外的垫圈164。 可以设置间隔件以便在安装以后在底板100的边缘区域104与散热器130之间保持间隙。根据一个实施例，例如如图2中所示的，间隔件是中空圆柱体170。在装配过程中空圆柱体170被插入到底板100中形成的开口 106中并且容纳紧固件160本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体模块，包括：底板，所述底板具有毗邻边缘区域的内部区域；基板，所述基板附接至所述底板的所述内部区域；散热器，所述底板安装在所述散热器上以使所述底板介于所述基板与所述散热器之间并且所述底板的所述内部区域的至少一部分接触所述散热器；以及应力解除机构，所述应力解除机构被构造为允许所述底板响应于热负荷在所述边缘区域中弯曲得远离所述散热器，以使所述底板的内部区域的至少一部分保持与所述散热器接触。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：赖因霍尔德·巴耶尔埃尔，乔治·博尔格霍夫，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：