[发明专利]功率半导体模块和驱动功率半导体模块的方法

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体模块。这样的模块通常包含两个或者更多个功率半导体芯片，例如包含二极管、晶闸管、IGBT、MOSFET、JFET等等。在功率半导体模块之内可以包含不同的这种功率半导体芯片。 

背景技术

目前可用的功率半导体芯片包括范围广泛的不同芯片工艺。在过去，现代的快速切换的功率半导体芯片的进一步发展已导致越来越高的允许的阻挡层温度以及由此导致越来越高的工作温度。由此需要将利用其将功率半导体芯片与功率半导体模块的其它部件相连接的传统连接技术通过改进的经受更高温度的连接技术来代替。当在切换运行时采用相关的功率半导体芯片并且由此遭受强的温度变化负载时，这种情况越来越多地适用。然而，这种改进的连接技术通常要求特定的、昂贵的芯片金属化部，例如具有铜或者贵金属的芯片金属化部。此外，也需要对模块的与这种特定的芯片金属化部(例如其上安装有功率半导体芯片的陶瓷衬底的金属化部)相连的部件或者对功率半导体芯片利用其相连的接合线提出提高的要求，这通常提高成本。 

在现代的功率半导体芯片的芯片金属化部方面的最新发展产生铜金属化部，而传统的功率半导体芯片的芯片金属化主要由铝制成。相对于铝，铜具有导电性高大约50％的优点。此外，铜特别良好地适于制造耐高温的扩散焊接连接(Diffusionloetverbindung)。然而，铜一方面是昂贵的，另一方面易于被氧化。但是，为了制造扩散焊接连接，需要至少一个裸的铜表面，即铜必须在扩散焊接之前例如被清除氧化层，或者裸的铜表面还必须在扩散焊接之前的时期(例如当相关的部件要安置较长的时间时)中被保护免受氧化。然而，所有这些措施是费事的且昂贵的。 

除了扩散焊接连接之外，低温压力烧结连接也具有高的耐热性和高的温度变化耐受性。在这种情况下，包含银粉和溶剂的糊(Paste) 被引入到彼此要连接的配合件(Fuegepartner)之间。接着，配合件在高压下在预先给定的温度的情况下相对彼此挤压预先给定的时间。由此，形成了耐高温的且抗温度变化(temperaturwechselstabil)的连接。除了该制造工艺本身是费事的且昂贵的之外，配合件的彼此要连接的表面必须被涂有贵金属(例如银或者金)，这同样提高了成本。 

另一基本上公知的连接技术是线接合。在这种情况下，接合线例如被接合到可自由到达的上部芯片金属化部上。对此通常采用的接合线主要由铝制成。然而，在高温差的情况下的负载变化运行时，铝的机械特性以及随之而来的接合连接的强度随着时间的推移而恶化。由此，在较长的运行之后也可发生接合线从芯片金属化部脱落(“liftoff”)。与此不同地，铜在负载变化运行时具有显著更好的特性，因此日益增加地采用基于铜的接合线。然而，高价值的、抗温度变化的线接合连接要求芯片金属化部的硬度和接合线的硬度不能相差过大。因此，从技术角度来看有利的是，在现代的功率半导体芯片中采用由铜构成的上部芯片金属化部，当然这是昂贵的。 

在制造目前的功率半导体模块时，出于制造技术的原因而采用了统一的电或机械连接技术，这意味着：功率半导体模块的所有功率半导体芯片的彼此相对应的接线端子以同样的连接技术被集成到模块结构中。对此的原因在于：出于方法经济的原因，对于在制造功率半导体模块时的所有可比较的子步骤采用了同样的连接技术。 

例如，模块的所有功率半导体芯片的下侧金属化部可以借助传统的熔融焊接连接(Schmelzlotverbindung)例如被焊接到被金属化的陶瓷衬底上，而上侧金属化部分别借助铝接合线连接被电连接。然而，如果现代的快速切换的功率半导体芯片利用这些连接技术被内装(verbauen)在功率半导体模块中，则存在高的概率，使得功率半导体模块故障的原因在于传统的连接技术，因为现代的功率半导体芯片与传统的功率半导体芯片相比大多在更大的温度偏移(Temperaturhub)的情况下运行。 

替换于传统的连接技术，自然可以以模块统一的方式在模块的彼此相对应的部位上采用耐高温的连接技术(也就是即扩散焊接、低温压力烧结、粘合、铜线接合)。但是这意味着：半导体芯片的不遭受高温或强的温度变化负载的金属化部只为了采用现代的连接技术而必 须具有带有铜和/或带有贵金属的金属化部。由此，通过提高的制造成本来换取利用现代连接技术制造的功率半导体模块的更高的可靠性。 

发明内容