[发明专利]包括插件的半导体模块和用于生产包括插件的半导体模块的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体模块，并且特别地涉及具有插件（insert）的半导体模块。

背景技术

电力电子模块是在电力电子电路中使用的半导体模块。典型地在车辆、轨道和工业应用中，例如在逆变器或者整流器中采用电力电子模块。它们同样以能量生产和传输的形式获得应用。在电力电子模块中包含的半导体部件可以涵盖例如半导体芯片，包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）、金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）、结型场效应晶体管（JFET）、晶闸管或者二极管。这些半导体芯片在它们的电压和电流应对能力方面可以不同。

在很多半导体模块中，半导体芯片被布置在平坦、金属化陶瓷基绝缘衬底上，因为在典型半导体材料和陶瓷的热膨胀系数之间的差异小于在典型半导体材料和金属的热膨胀系数之间的差异。陶瓷的进一步优点是介电强度和良好的导热性。

为了耗散由半导体芯片产生的废热，在很多模块中，绝缘衬底被焊接到金属基板。然而，由半导体芯片的热循环引起的热机械应力特别是在焊料和衬底之间引起裂纹。因此，存在对于一种改进的半导体模块和对于一种用于生产改进的半导体模块的方法的需要。

发明内容

根据半导体模块的实施例，该模块包括刚性基底、绝缘衬底、功率半导体芯片、插件和焊料。该绝缘衬底包括绝缘载体，该绝缘载体具有提供有顶侧金属化层的顶侧和提供有底侧金属化层的底侧。该功率半导体芯片被布置在顶侧金属化层上。包括带有多个波峰和多个波谷的波浪形状的插件被布置在基底和底侧金属化层之间，使得波峰面向底侧金属化层而波谷面向基底。此外，完全地填充在底侧金属化层和基底之间的全部空隙的焊料被布置在底侧金属化层和基底之间。

根据用于生产半导体模块的方法的实施例，该模块提供有刚性基底、绝缘衬底、功率半导体芯片、插件和焊料。该绝缘衬底包括绝缘载体，该绝缘载体具有提供有顶侧金属化层的顶侧和提供有底金属化层的底侧。该功率半导体芯片被布置在顶侧金属化层上。包括带有多个波峰和多个波谷的波浪形状的插件被布置在基底和底侧金属化层之间，使得波峰面向底侧金属化层而波谷面向基底。该焊料被布置在基底和底金属化层之间。当熔化该焊料时，插件嵌入在焊料中使得该焊料完全地填充在底侧金属化层和基底之间的全部空隙。然后该焊料被冷却下至它的固态。

在阅读以下详细说明时并且在观察附图时，本领域技术人员将会认识到另外的特征和优点。

附图说明

通过参考以下附图和说明，本发明能够被更好地理解。在图中的部件未必按照比例，相反重点在于示意本发明的原理。而且，在图中，类似的引用数字标注对应的部分。在附图中：

图1是通过利用焊料层而被焊接到基板的陶瓷衬底的竖直截面，在该焊料层中嵌入呈现三角波的形状的插件；

图2是通过利用焊料层而被焊接到基板的陶瓷衬底的竖直截面，在该焊料层中嵌入呈现正弦波的形状的插件；

图3是通过利用焊料层而被焊接到基板的陶瓷衬底的竖直截面，在该焊料层中嵌入呈现方波的形状的插件；

图4是呈现三角波的形状的插件的透视图；

图5是呈现正弦波的形状的插件的透视图；

图6是呈现方波的形状的插件的透视图；

图7是呈现交错波列的插件的透视图，其中每一个波列均具有方波的形状；

图8A是通过冲压和挤压平坦金属片生产的插件的顶视图；

图8B是图8A所示的插件的侧视图；

图9A是通过冲压平坦金属片以便实现基本矩形凸耳（lug）并且通过将不同的凸耳弯曲到该金属片的相对侧而生产的插件的顶视图；

图9B是图9A所示的插件的侧视图；

图10A是通过冲压平坦金属片以实现多角的凸耳并且通过将不同的凸耳弯曲到该金属片的相对侧而生产的插件的顶视图；

图10B是图10A所示的插件的侧视图；

图11A是被形成为编织金属丝（wire）织物的插件的顶视图；

图11B是在截面平面E1中图11A所示的插件的竖直截面；

图12A是根据图11A的插件的顶视图，其中金属丝被形成为平坦金属带；

图12B是在截面平面E2中图12A所示的插件的竖直截面；

图13是由相互卡住的纤维形成为平坦衬垫的插件的竖直截面；

图14A是通过在被焊接到金属基底之前的陶瓷衬底的竖直截面，其中插件和焊料被布置在衬底和金属基底之间；

图14B是在将陶瓷衬底焊接到金属基底之后图14A所示的部件的竖直截面；

图14C是图14B所示的布置的放大细节；