[发明专利]带有改进的键合连接结构的功率半导体模块

说明书

本发明涉及一种功率半导体模块(10)，其具有：至少一个衬底(4)；至少一个功率半导体(2)，其布置在衬底(4)上且在其背对衬底的侧面上具有联接面(21)；布置在所述衬底(4)上在功率半导体(2)旁的、必要时分割的负载电位面(23)；用于将联接面(21)与负载电位面(23)并联导电连接的多个键合连接件(25、26)，其中，每个键合连接件(25、26)具有在负载电位面(23)上的至少一个第一键合脚(31)和在联接面(21)上的多个第二键合脚(32)，并且其中，每个键合连接件(25、26)在联接面(21)上具有至少一个端部；其中，多个键合连接件(25、26)布置在至少两个群组中，群组由键合脚数量相同的多个键合连接件组成，并且一个群组中的每个键合连接件的第二键合脚(32)仅布置在联接面(22)的由联接面(21)部分面限定的区段或区域(22a或22b)中，并且群组相应的差别在于，其第一键合脚(31)布置成在负载电位面(23)上，并且朝功率半导体(2)具有不同的、但优选在每个群组内一致的间距(a₁或a₂)。

本发明涉及一种功率半导体模块。功率半导体模块是半导体总成，该总成用在功率电子电路中。功率半导体模块通常用在机动车和工业应用中，如在换流器中和整流器中。半导体组件(该组件包含在功率半导体模块中)通常是IGBT(绝缘闸双极晶体管)半导体芯片或者MOSFET(金属氧化物半导体-场效应晶体管)半导体芯片。IGBT半导体芯片和MOSFET半导体芯片具有变化的额定电压和额定功率。一些功率半导体模块为过压保护也具有附加的在半导体封装中的半导体二极管(即自由二极管)。

为了更高的功率应用，功率半导体模块通常具有在单个衬底上的一个或者多个功率半导体结构组件，下面也缩写为功率半导体。衬底通常具有至少一个绝缘的陶瓷衬底，例如Al₂O₃、AlN、Si₃N₄或者其它合适的材料，以电绝缘功率半导体模块。衬底通常涂镀在金属底板上，该底板用作将模块机械固定和热连接到散热器处的、稳定衬底的支架。陶瓷衬底至少一个表面或者利用纯铜、纯铝或者镀铜、镀铝或者其它合适的材料来涂镀金属，以一方面接通布置并且通常焊接在上的功率半导体并且另一方面提供电位面、尤其负载电位面。该电位面一方面用于经由所谓的键合连接将电流输入或者输出功率半导体，另一方面用于与联接件机械固定和电连接，该联接件用于电流输入到模块或者电流从模块尤其从壳体输出，使得例如后者在壳体外与外导体例如借助于螺栓相连。针对电位面设置的金属层通常借助于直接的铜键合工艺(DCB)、直接的铝键合工艺(DAB)或者活性金属硬焊工艺(AMB)连接到陶瓷衬底处。

为了电连接电位面与至少一个背向衬底的所涉及的功率半导体的联接面，通常设置键合线形式的键合连接件(也称为引线键合连接件)或者键合带形式的键合连接件(也称为带键合连接件)，该键合连接件在电位面与半导体的联接面之间产生导电接触。在功率电子领域中使用纯(99.99％的铝或者更高比例)铝和铜材料用于键合连接件。一方面用于产生在键合连接件与联接面之间的连接和另一方面在键合连接件与电位面之间的连接的不同的工艺方案是热压缩键合(缩写：TC键合)、热固球-楔键合(TS-键合)和超声楔-楔键合(US-键合)。其中，一方面在键合连接件和联接面之间和另一方面在键合连接件与联接电位面之间分别产生的接触区域称作键合脚。

这种功率半导体模块以及对于其结构必须的功率半导体元件的需求和由此的生产能力在过去几年里持续不断地增长。例如，半导体元件的单位面积的电流强度上升。此外，由于经济必要性的缘故，半导体元件始终接近其功率极限来运行。

对于功率半导体模块或功率半导体元件的性能的决定性的外部因素是散热以及电流的输入和输出。在半导体元件的电流的输入和输出中的现有技术是在不同设计方案中的键合连接、例如作为引线键合连接或者作为带键合连接。在带有高电流负载的功率半导体情况中使用带有直径在100μm到500μm之间的粗线或者粗线-带。其横截面不足以设置规律的多个平行的键合连接件。本发明的内容是这种键合连接件的性能。