[发明专利]用于功率半导体器件的混合短路故障模式预型件

说明书

一种功率半导体模块，包括：基板(1)；设置在基板(1)的顶部表面上并与基板接触的半导体芯片(2)；设置在半导体芯片(2)的顶部表面上的预型件(3)；与预型件(3)的顶部表面接触并将压力施加到预型件的顶部表面上的按压元件(4)。预型件(3)包括第一导电层(6)和第二导电层(5)。第一导电层(6)具有至少一个突起(7)，该至少一个突起朝向半导体芯片(2)的顶部表面突出并且在预型件(3)的第一导电层(6)中限定至少一个凹部(9)，其中凹部(9)可以环形地围绕突起(7)。至少一个突起(7)由与第一导电层(6)相同的材料制成并与第一导电层一体地形成，或者第一导电层(6)和至少一个突起(7)由不同的材料制成。第二导电层(5)的至少一部分被定位在凹部(9)中和在半导体芯片(2)的顶部表面上。至少一个突起(7)的材料具有比第二导电层(5)的材料更高的熔点。功率半导体模块被配置成使得在具有热量消散的半导体芯片故障的事件中，在由按压元件(4)朝向基板(1)施加压力时，第一导电层(6)的至少一个突起(7)穿透半导体芯片(2)的剩余的材料(8)，以便在短路故障模式下在第一导电层(6)的至少一个突起(7)与基板(1)之间建立接触并形成桥接有缺陷的半导体芯片(2)的短路。预型件(3)的底部表面可以由第二导电层(5)的底部表面单独形成或由第二导电层(5)的底部表面和突起(7)的底部表面形成。

技术领域

本发明涉及功率半导体模块领域，该功率半导体模块包括基板、设置在基板上的宽带隙半导体芯片、设置在宽带隙半导体芯片上的预型件、以及被配置为向预型件施加压力的按压元件。更具体地，本发明涉及在这种功率半导体模块中提供短路故障模式(short-circuit failure mode，SCFM)能力的混合预型件。

背景技术

在高功率应用中，通常需要多个功率半导体模块的串联连接来满足高电压要求。由于串联连接，单个模块的故障可能导致整个设备的故障。因此，在其半导体芯片故障的情况下变得永久导电的功率半导体模块在这种串联连接中具有很大的优势。这种能力被称为短路故障模式(SCFM)。

在故障事件中，热量被消散。在具有基于Si(硅)的半导体元件的常规半导体模块中，可以在Si芯片上提供金属预型件，该金属预型件适于与芯片的Si材料形成低熔点共晶合金，并且产生低欧姆路径(短路)以在故障的情况下通过故障点传导全电流负载。例如，在相对较低的温度(577℃)下，Si(硅)和Al(铝)之间的共晶反应使得可以提供这种固有的故障补偿。在EP 2 503 595 A1中提出了一种具有Si基半导体芯片的半导体模块，该Si基半导体芯片设置在能够与芯片的Si材料形成共晶合金的两个层之间。

在高功率应用中，越来越多地采用具有宽带隙SiC(碳化硅)基半导体元件的半导体模块。然而，SiC的熔点(～2730℃)比Si的熔点高得多，而且看起来SiC与普通金属之间不存在这种低温共晶反应。

在没有固有的短路故障模式(SCFM)能力的情况下，系统的复杂性和成本可能会增加，并且这也可能阻碍先进的SiC半导体模块在高压和/或高功率应用(诸如高压直流电(high-voltage-direct-current，HVDC)、静态同步补偿器(Static SynchronousCompensator，STATCOM)等)中的应用，高压和/或高功率应用中通常需要串联连接。

由于高功率应用中采用的高电压和高电流，当电流被迫通过有缺陷的芯片时，芯片故障可能导致在功率模块内部形成具有高功率密度的等离子体(故障电弧等离子体)，这在一方面可能崩解/熔化/蒸发有缺陷的芯片，但另一方面也可能破坏整个半导体模块和/或其组件。整个半导体模块被破坏的风险随着消散的能量并且因此随着暴露于故障电弧等离子体而增加。因此，重要的是，在存在故障事件时快速可靠地产生短路，以便限制暴露时间。而且，短路应该在长时间内保持稳定，使得有缺陷的芯片被可靠地桥接，至少直到下一计划的维修工作，在该维修工作的过程中电源模块可以被替换。