專利名稱：具有溫度傳感器的功率半導體模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有溫度傳感器的功率半導體模塊。
背景技術：
具有施加在襯底上的溫度傳感器的功率半導體模塊是已知的，其 中用于其部分的村底被固定到功率半導體模塊的基板上。這些襯底具 有良好導熱性的電絕緣層，使得與基板存在導熱接觸。然而，該功率 半導體模塊內襯底上方的空間中的電絕緣是有問題的，所述空間通常
填充有灌封成分。在這種情況下，該灌封成分至少部分地嵌入溫度傳 感器。如果發生損壞，由于高能量輸入可能在灌封成分中發生電擊穿。 于是不再提供溫度傳感器與承載高壓的功率電子部件之間所需的可靠 電絕緣。因此，期望溫度傳感器與承載高壓的部件之間的更好的電絕 緣。
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發明內容
根據本發明的實施例，提供一種功率半導體模塊，包括導電和 導熱的基板，設置在基板上的電絕緣和導熱的襯底，至少施加在襯底 的遠離基板的那一側上的金屬化，至少一個半導體部件，其被固定到 襯底和/或金屬化并且與金屬化電連接，外殼，其與基板一起至少部分 地包圍襯底和所述至少一個半導體部件，和溫度傳感器，該溫度傳感 器被外殼和基板至少部分地包圍并且該溫度傳感器被嵌入在由電絕緣 和導電的成分構成的塊中，其中所述塊與所述至少一個半導體部件熱接觸。
下面基于附圖中所示的示例性實施例來更詳細地解釋本發明，其
中類似的元件具有相同的參考標記。在圖中
圖1用截面圖示出根據現有技術的具有集成溫度傳感器的功率半
導體模塊；
圖2用截面圖示出具有集成溫度傳感器的功率半導體模塊，該集 成溫度傳感器具有塑料體和在基板中的固定；
圖3用截面圖示出具有集成溫度傳感器的功率半導體模塊，該集 成溫度傳感器具有塑料體和在基板上的粘性接合；
圖4用截面圖示出具有集成溫度傳感器的功率半導體模塊，該集 成溫度傳感器具有塑料體和在基板上的粘性接合；
圖5用截面圖示出具有集成溫度傳感器的功率半導體模塊，該集 成溫度傳感器具有塑料體和在基板中的螺旋連接；
圖6用截面圖示出具有集成溫度傳感器的功率半導體模塊，該集 成溫度傳感器具有包括兩個材料區域的塑料體；
圖7用截面圖示出具有集成溫度傳感器的功率半導體模塊，該集 成溫度傳感器具有塑料體和橫向引出的連接導體；以及
圖8用截面圖示出具有集成溫度傳感器的功率半導體模塊，該集 成溫度傳感器具有塑料體和熱沉以及向下引出的連接導體。
具體實施例方式
圖l用截面圖示出了已知的具有集成溫度傳感器的功率半導體模 塊。根據圖1的功率半導體模塊包括基板1和襯底2，該襯底2具有下 部金屬化21、絕緣夾層22和上部金屬化23。 一個或多個半導體部件 24和連接導體25設置在襯底2上并與其相連接。根據圖1的功率半導 體模塊還包括硅氧烷灌封成分3、外殼4、溫度傳感器5以及溫度傳感 器5的第一連接導體61和第二連接導體62。
根據圖1，襯底2設置在基板1上并與其相連接，其中襯底2通常 提供電子半導體部件24之間的互連以及與信號的互連并提供向外引出 的連接，例如連接導體25。在這種情況下，溫度傳感器5設置在單獨村底2，上并例如通過導熱的焊接和粘性接合連接與該單獨襯底2，相 連。半導體部件24和溫度傳感器5—起被容納在外殼4內。
在這種情況下，溫度傳感器5設置得盡可能接近半導體部件24， 打算監控其溫度，以便確保溫度傳感器5和半導體部件24之間的最小 可能溫差并由此確保溫度測量的高精確度。在這種情況下，到溫度傳 感器5的熱傳導也經由基板1和襯底2發生。
外殼4連接到基板1，由此溫度傳感器5、半導體部件24、襯底2 和連接導體25被包圍在外殼4和基板1之間。此外，根據圖l的功率 半導體模塊包括軟的(soft)灌封成分，例如硅氧烷灌封成分3，其至 少部分地填充由外殼和基板1包圍的空腔并由此在所有情況下都至少 部分地嵌入溫度傳感器5、半導體部件24、襯底2和連接導體25。在 這種情況下，為了從外部估計溫度傳感器5的信號，通過外殼4向外 引出溫度傳感器5的第一連接導體61和溫度傳感器5的第二連接導體 62。
在所述溫度傳感器被電絕緣軟灌封成分(即硅氧烷灌封成分3)圍 繞的區域中溫度傳感器5的電絕緣在這種情況下證明是有問題的。如 果出現電壓升高，則可能在硅氧烷灌封成分3中發生電擊穿，由此可 能引起溫度傳感器5的損壞或破壞。在這種情況下，不再可靠地提供 溫度傳感器5與處于高壓的功率半導體模塊的半導體部件24之間的可 靠電絕緣。
圖2用截面圖示出根據本發明的具有集成溫度傳感器5的功率半 導體模塊的示例性實施例。根據圖2的功率半導體模塊也包括基板1 和襯底2。此外還提供了外殼4、溫度傳感器5、溫度傳感器5的第一 連接導體61和第二連接導體62。與圖1相比，根據圖2的功率半導體 模塊包括圍繞溫度傳感器5的塊，例如塑料體7，集成地形成在塑料體 7上的銷(pin)71，并且還包括在基板l中的開口 11。圖2中所示的 其它部件對應于圖1的那些，并且因此不再更詳細地指定。
根據圖2，溫度傳感器5嵌入在其自己的塑料體7中，其中該塑料 體7與基板1和硅氧烷灌封成分3直接接觸。塑料體7上的銷71嚙合 在基板l中的開口 11中。溫度傳感器5周圍的塑料體7還朝向外部延 伸經過外殼4，并且以這種方式使溫度傳感器5的向外引出的第一連接 導體61和第二連接導體62 (同樣向外引出)與外殼4電絕緣。在這種情況下，溫度傳感器5以這種方式設置在塑料體7中使得它的定位盡 可能接近基板1，該基板1由于其高導熱性而將由半導體部件24產生 的熱的足夠部分傳遞到塑料體7并由此傳遞到溫度傳感器5。結果獲得 高精確度的溫度測量。
塑料體7的材料，其中通過例如鑄造嵌入溫度傳感器5，包括例如 展示出高導熱性卻有良好的電絕緣的聚合物。這種聚合物具有例如在 大于lW/m.K的范圍內的熱導率，以便也借助這種方式來確定高精確 度的溫度測量。適當的聚合物的實例是熱塑性塑料，例如聚酰胺、聚 丙烯、聚苯疏醚(polyphenylene sulfide )、 液晶等等。
基板l中的開口 11用于容納塑料體7的銷71。這產生銷71和基 板1之間的良好的機械接觸或塑料體7在基板1中的可靠的錨定。而 且，以這種方式還提供了塑料體7和基板1之間的大接觸區域，其又 提供從基板1到塑料體7并由此到溫度傳感器5的良好的熱傳遞。
在這種情況下，銷71和開口 11可以以例如圓形截面凈皮嵌入，其 中其它相互對應的截面也是可以的，例如正方形或六邊形截面等等。 在銷71和開口 11的圓形截面實施例的情況下，銷71可以例如以比相 關聯的開口 ll稍大的直徑嵌入基板l中。由于塑料體7的材料或灌封 成分一般具有一定程度的彈性，例如當使用聚合物時，因此銷71可以 以壓入配合(press fit )插入孔11中并且用機械方法安全地保持在其中。
作為壓入配合的替換，銷71、開口 11以及塑料體7與基板1的其 它接觸區域還可以使用粘性接合技術連接到基板l。在這種情況下，銷 71可以例如以比開口 ll稍小的尺寸嵌入，以便用于粘性接合連接的粘 合劑可以容易地容納在彼此鄰接的粘性接合區域之間。作為實例，在 這種情況下使用同樣具有高熱導率的粘合劑，即使該粘合層通常被制 作得很薄。
根據圖2的塑料體7的另一優點在于可以在與功率半導體模塊分 開的預制造步驟中制造塑料體7與鑄造在其中的溫度傳感器5。在這種 情況下可以使用常規的塑料注射成型(injection-molding)技術，由此 使節省成本和高效的制造成為可能。然后相應地將以這種方式預制造 的并包含溫度傳感器5的塑料體7、第一連接導體61和第二連接導體 62與銷71 —起插入功率半導體模塊的基板1中或者與其粘性接合。之 后，塑料體7和功率半導體模塊的其它配備的部件共同利用硅氧烷灌封成分3進行灌封。
圖3用截面圖示出具有另一示例性集成溫度傳感器實施例的功率 半導體模塊。根據圖3的功率半導體模塊也包括基板1、襯底2、外殼 4、溫度傳感器5、塑料體7和連接導體61和62。圖3所示的其它部件 也對應于根據圖1和圖2的那些。塑料體7的材料，其中嵌入溫度傳 感器5，也包括展示出高導熱性和電絕緣的聚合物。然而，與圖2相比， 這里塑料體7是在沒有銷的情況下被嵌入的。因此，在根據圖3的功 率半導體模塊的情況下，在基板l中也不存在用來容納銷的開口 11。 塑料體7和基板以及由此溫度傳感器5和基板之間的機械和導熱連接 由粘性接合連接72形成。在這種情況下也使用具有高熱導率的粘合劑。 根據圖3的實施例的基本優點在于塑料體7的幾何形狀被簡化(沒有 銷71)，也不需要在基板1中提供開口 11。這意味著可以更簡單地和 更節省成本地制造塑料體7和基板1。
圖4用截面圖示出具有另一示例性集成溫度傳感器實施例的功率 半導體模塊。根據圖4的功率半導體模塊也包括基板1、襯底2、外殼 4、溫度傳感器5、塑料體7和連接導體61和62。圖4所示的其它部件 也對應于根據圖1-3的那些并且因此不再更詳細地指定。
根據圖4，與根據圖3的實施例相比，溫度傳感器5的塑料體7在 這種情況下沒有設置在基板l上，而是直接位于襯底2上。根據圖4， 溫度傳感器5的塑料體7和襯底2之間的機械和導熱連接通過襯底2 的上部金屬化23 (參見圖1)的區域231中的固定(fixing)而被嵌入。 在這種情況下，所述固定也可以被具體實施為粘性接合連接。在這種 情況下也使用具有高熱導率的粘合劑。根據圖4的實施例的一個優點 在于溫度傳感器5的塑料體7設置得更鄰近功率半導體模塊的半導體 部件24，由此產生從半導體部件24到塑料體7并由此到溫度傳感器5 的更進一步改善的熱傳導。
在根據圖2和3的示例性實施例中，從半導體部件24到溫度傳感 器5的熱傳導路徑包括襯底2 (包括上部金屬化23、絕緣夾層22和下 部金屬化21)、基板1和塑料體7。相比之下，在圖4中，從半導體 部件24到溫度傳感器5的熱傳導路徑僅包括上部金屬化23和塑料體7， 由此在半導體部件24和溫度傳感器5之間產生較低的溫度下降。
圖5用截面圖示出另一示例性實施例中的功率半導體模塊，其很大程度上類似于根據圖2的實施例，差別之處在于，塑料體7具有用 外螺紋形成的銷73。在這種情況下，基板l中的開口 ll利用相應的內 螺紋被嵌入，由此塑料體7可以擰入基板1中以便在基板1和塑料體7 之間獲得期望的機械強度的連接和期望的熱傳導。還在該實施例中， 另外可以在塑料體7和基板1或開口 11的相互鄰接區域之間使用具有 良好的熱導率的粘合劑，以便進一步改善機械穩定性和熱傳遞。
圖6用截面圖示出一種功率半導體模塊，該功率半導體模塊包括 具有帶螺紋的銷73的塑料體7、溫度傳感器、基板1和半導體部件24。 在這種情況下，提供塑料體7的第一區域74和塑料體7的第二區域75。 根據圖6的塑料體7的特殊特征在于該塑料體不是由相同材料均勻且 連續地制造的，而是所述區域74和75由不同材料制造，也就是說例 如由不同聚合物制造。
在這種情況下，第一區域74包括例如具有最低可能的熱導率的聚 合物材料，例如具有小于0.2W/mK的量級的熱導率的PVC。第二區域 75包括具有最高可能的熱導率特性的聚合物材料，例如具有大于 1W/mK的熱導率的塑料。適當的聚合物的實例是熱塑性塑料，例如聚 酰胺、聚丙烯、聚苯硫醚、液晶等等。結果，在塑料體7的第一區域 74和第二區域75之間形成界面76，所述界面在圖6中用虛線示出。
在這種情況下，溫度傳感器5設置在具有高熱導率的第二區域75 中，確切地說是盡可能靠近界面77，從該界面將熱傳導到塑料體7中。 在根據圖6的示例性實施例中，所述界面77位于塑料體7和基板1之 間。在這種情況下，如可以從圖4看到的，將熱引入到塑料體7中的 界面77也可以例如是襯底2的上部金屬化23。
由用在第一區域74和第二區域75中的不同熱導率材料形成界面 76，在所述界面76處大大減弱了進入塑料體7的熱通過第二區域75 進一步消散到第一區域74。在跨越整個本體均勻地嵌入塑料體7的情 況下，例如在根據圖2-5的實例中，進入塑料體7的熱均勻地遠離跨越 整個塑料體7的入口位置而減少。
相比之下，在根據圖7的實施例的情況下，在界面77處引入塑料 體7的熱積累在界面76處。這意味著其中設置了溫度傳感器5的第二 區域75被加熱到較高溫度，其由此更接近測量的半導體部件24的溫 度。也就是說，在到溫度傳感器5的傳遞路徑上的溫度下降證實是較小的，由此提高了溫度測量的精確度。
圖7用截面圖示出一種功率半導體模塊，該功率半導體模塊也包 括基板l、襯底2、外殼4、溫度傳感器5以及溫度傳感器5的連接導 體61、 62。此外，根據圖7的功率半導體模塊包括半導體部件24、襯 底2、硅氧烷灌封成分3、具有銷71的塑料體7和在基板1中的開口 11。圖8所示的其它部件對應于根據圖1-7的那些并且因此不再更詳細 地指定。
基板l中的開口 11也用于容納銷71。塑料體7的實施例與根據圖 2的實施例的不同之處在于第一連接導體61和第二連接導體62不是向 上通過外殼4被引出到外部，而是通過外殼4的側壁被引出到外部。 而且，如同在根據圖2-6的實施例中，通過將溫度傳感器5灌封在固體 電絕緣塊中來獲得溫度傳感器5與其它部件例如半導體部件24的非常 良好的電絕緣，所述塊即具有高熱導率的塑料體7。
由于在塑料體7中被絕緣的連接導體61和62從外殼橫向引出， 因此可以總體上實現較小結構尺寸的塑料體7。結果，塑料體7的熱容 量降低并且被包圍在其中的溫度傳感器5被更快速地加熱，由此測量 變得更精確，尤其是在溫度波動的情況下，也就是說，塑料體7中的 溫度傳感器5對溫度波動的反應時間減少。
此外，該實施例還實現了擴大的界面77用于將熱從基板1引入到 塑料體7中，由此同樣提供從基板1到塑料體7并由此到溫度傳感器5 的更快的熱傳遞。除此之外，第一和第二連接導體61和62可以設置 得更遠離承載電壓的功率部件，例如半導體部件24，由此獲得期望的 可靠隔離或絕緣。
圖8用截面圖示出具有集成溫度傳感器的功率半導體模塊，該功 率半導體模塊具有從前面圖已知的各部件，例如基板l、外殼4、塑料 體7、銷71、溫度傳感器5、具有開口 11的基板1和連接導體61和62。 此外，該功率半導體模塊包4舌具有熱沉片(heat sink fin) 82和開口 81 的熱沉8。在這種情況下，熱沉8連接到功率半導體模塊的基板1。這 種熱沉8例如用于消散來自功率半導體模塊的多余的熱并通過冷卻片 (cooling fin) 82把它傳遞到周圍的空氣中。在這種情況下，冷卻片82 提供大的表面區域用于消散不需要的熱。根據圖8，溫度傳感器5的連 接導體61和62從功率半導體模塊通過塑料體的銷71和基板1中的開口ll被引出到外部。如還可以從圖8看到的，如同根據圖7,這產生 減小的結構尺寸的塑料體7，其同樣提供關于圖7描述的優點，即減小 的熱容量、對半導體部件24的溫度變化的較短的反應時間以及與半導 體部件24的可靠的隔離或絕緣。
如果如圖8所示的功率半導體模塊利用固定到基板1的熱沉8被 嵌入，那么所述熱沉可同樣具有相應的開口 81以便將溫度傳感器5的 連接導體61和62引出到外部。為此，在裝配過程中熱沉8中的開口 81相應地與基板1中的開口 ll對準。在這種情況下，塑料體7的銷71 例如僅具有一定長度使得它不延伸超過基板1中的開口 11進入熱沉8 的開口 8]中。作為實例，如圖8所示的銷71僅部分地延伸到基板1 的開口11中，以^更最小化熱沉8對測量的破壞。
參考標記列表
1 基板
11 基板中的開口
2 襯底
21 襯底的下部金屬化
22 絕緣夾層
23 襯底的上部金屬化
231 上部金屬化中的固定區域 24半導體部件 25連接導體
3 硅氧烷灌封成分 4外殼
5溫度傳感器
61 溫度傳感器的第一連接導體
62 溫度傳感器的第二連接導體 7溫度傳感器的塑料體
71銷
72 粘性接合連接
73 帶螺紋的銷74 塑料體的第一區域
75 塑料體的第二區域
76 界面
77 界面 8 熱沉
81 熱沉中的開口
82 熱沉片
權利要求
1. 一種功率半導體模塊，包括導電和導熱的基板(1)，設置在基板(1)上的電絕緣和導熱的襯底(2)，至少施加在襯底(2)的遠離基板(1)的那一側上的金屬化(21，23)，至少一個半導體部件(24)，其被固定到襯底(2)和/或金屬化(21，23)并且與金屬化(21，23)電連接，外殼(4)，其與基板(1)一起至少部分地包圍襯底(2)和所述至少一個半導體部件(24)，和溫度傳感器(5)，該溫度傳感器被外殼(4)和基板(1)至少部分地包圍并且該溫度傳感器被嵌入在由電絕緣和導電的成分構成的塊(7)中，其中所述塊(7)與所述至少一個半導體部件(24)熱接觸。
2. 如權利要求l所述的功率半導體模塊，其中所述成分具有大于 1W/mK的熱導率。
3. 如權利要求1或2所述的功率半導體模塊，其中所述成分包括 塑料。
4. 如權利要求3所述的功率半導體模塊，其中所述成分包括聚合物。
5. 如前面權利要求中的任一項所述的功率半導體模塊，其中外殼 (4)具有開口并且所述塊(7)以這種方式被嵌入和設置使得它通過所述開口從外殼(4)突出。
6. 如權利要求5所述的功率半導體模塊，其中從外殼(4)突出 的部分具有用于溫度傳感器(5)的電連接(61， 62)。
7. 如權利要求6所述的功率半導體模塊，其中所述連接(61， 62) 以定向遠離基板(1)的方式從外殼(4)突出。
8. 如權利要求6所述的功率半導體模塊，其中所述連接(61， 62) 沿平行于基板(1)的方向從外殼(4)突出。
9. 如權利要求6所述的功率半導體模塊，其中基板(1)具有開 口 (11)并且所述連接(61， 62)通過所述開口 (11)從外殼(4)突 出。
10. 如前面權利要求中的任一項所述的功率半導體模塊，其中所述塊(7)至少借助基板(1)與所述至少一個半導體部件(24)熱接 觸-
11. 如前面權利要求中的任一項所述的功率半導體模塊，其中所 述塊(7)至少借助襯底(2)和/或其金屬化(21， 23)與所述至少一 個半導體部件(24)熱接觸。
12. 如權利要求1-11中的任一項所述的功率半導體模塊，其中基 板(1)具有開口 (11)并且所述塊具有銷(71)，其中所述銷以形成 壓入配合的方式延伸到基板(1)的開口 (11)中。
13. 如權利要求1-11中的任一項所述的功率半導體模塊，其中基 板(1)具有帶有螺紋的開口 (11)并且所述塊(7)具有帶有相應反 向螺紋的銷(73)，其中所述銷(7)以形成螺旋連接的方式擰入基板(1)的開口 (11)中。
14. 如權利要求1-11中的任一項所述的功率半導體模塊，其中所 述塊(7)借助粘性接合連接固定到基板U)、襯底(2)或其金屬化(21, 23)。
15. 如前面權利要求中的任一項所述的功率半導體模塊，其中所 述塊(7 )具有兩個區域(74， 75 )，所述兩個區域具有不同的熱導率， 所述兩個區域中的具有較高熱導率的區域(75)位置更接近于基板(1 ) 并包圍溫度傳感器(5)。
16. 如前面權利要求中的任一項所述的功率半導體模塊，其中外 殼(4)被填充了軟的灌封成分(3)。
全文摘要
本發明涉及具有溫度傳感器的功率半導體模塊。一種半導體功率模塊，包括導電和導熱的基板(1)、設置在基板(1)上的電絕緣和導熱的襯底(2)、至少施加在襯底(2)的遠離基板(1)的那一側上的金屬化(21，23)、被固定到襯底(2)和/或金屬化(21，23)并且與金屬化(21，23)電連接的至少一個半導體部件(24)、與基板(1)一起至少部分地包圍襯底(2)和所述至少一個半導體部件(24)的外殼(4)、和溫度傳感器(5)，該溫度傳感器被外殼(4)和基板(1)至少部分地包圍并且該溫度傳感器被嵌入在由電絕緣和導電的成分構成的塊(7)中，其中所述塊(7)與所述至少一個半導體部件(24)熱接觸。
文檔編號H01L25/00GK101431069SQ200810174408
公開日2009年5月13日 申請日期2008年11月5日 優先權日2007年11月5日
發明者O·施林 申請人:英飛凌科技股份公司