專利名稱：用于高溫應用的平面電功率電子模塊以及相應的制造方法
用于高溫應用的平面電功率電子模塊以及相應的制造方法本發明涉及一種根據主權利要求前序部分所述的方法和一種根據并列權利要求 的前序部分所述的電子器件。根據平面連接技術、尤其是針對西門子內部術語SiPLIT下的技術，接觸印制導線 的絕緣通過在直接銅鍵合襯底(Direct Copper Bond-Substraten) (DCB襯底)上的電器件 上施加絕緣膜來實現，其中所述絕緣膜尤其是具有聚合物。這種傳統的構造技術和連接技 術，如這例如是SiPLIT、然而同樣是鍵合，能夠實現針對熱學上要求直到150°C的功率電子 應用的多種變形方案。特別是傳統的鍵合技術是關于功率器件和模塊的制造成本方面的標準。此外，存 在多種與鍵合關聯的實施形式，如例如小帶鍵合等等。在制造功率模塊時，直接銅鍵合襯底 基本上通過焊接上電子器件或者芯片和/或表面安裝器件(SMD)來裝備。對于平面連接技 術，尤其是針對西門子內部術語SiPLIT下的技術，接觸印制導線的絕緣和結構化通過施加 激光結構化的絕緣膜來提供。接著，通過結構化過程和電解金屬沉積產生電連接，其中所述 電解金屬沉積對應于SiPLIT工藝技術。根據現有技術，持續溫度可耐受性通過使用聚合物絕緣膜而限制在小于175°C。除了實現技術上的要求和特性之外，存在對于針對大于200°C的應用的功率模塊 的要求，這些模塊是新的、創新的并且尤其是廉價的。對于大于200°C的溫度應用的模塊的 要求越來越多。本發明的任務是提供一種針對尤其是大于175°C的溫度范圍的電子器件、尤其是 功率模塊。在此，尤其是電絕緣應當是有效電絕緣的、有效附著的并且熱機械穩定的。尤其 是針對功率電子設備應當實現尤其是高溫封裝，這些高溫封裝在整個壽命上都是熱機械穩 定的。該任務通過一種根據主權利要求的方法和一種根據并列權利要求的裝置來解決。對于解決方案，尤其是建議一種僅僅使用無機材料(例如為玻璃或者陶瓷)的模塊 構造。通過這種方式，尤其是用于功率電子設備的高溫封裝通過使用無機絕緣材料或者多 重結合(multigebimdene)的無機絕緣材料來提供，使得實現大的電絕緣、有效的附著和穩 定的熱機械特性，其中該功率電子設備在整個壽命上經受高溫。在承載膜中進行開口的切除、電子器件的定位和固定，以及例如在承載膜上的引 線框架的定位和固定。此外，在電子器件和例如引線框架以及其他不見之間建立接觸。根 據本發明的構造可以優選用于優選針對傳統的功率模塊以大件數來生產性地批量制造器 件或者模塊。通過使用耐受高溫的(即具有大于175°C的溫度的溫度耐受性)、導熱的、高度 電絕緣的、結構化的無機材料，可以實現多個優點由于良好的形狀配合能力導致的從側面 也同樣的良好的熱連接、良好的熱管理以及對于高壓應用的高的抗電擊穿強度。其他優點 是改進的可靠性、降低的損耗功率、高的電流密度、集成能力、緊湊的結構、靈活的布局以及 電磁屏蔽。改進的可靠性實現充分的長時間穩定性。在承載膜中的開口尤其是可以通過激光切割來產生。其他的有利的擴展方案結合從屬權利要求來要求保護。
根據一個有利的擴展方案，借助具有至少一種第二無機材料的填充層來填充間隙 以電絕緣。間隙的絕緣通過無機材料進行。填充層具有100微米至400微米的層厚度。尤 其是填充電子器件、承載膜和引線框架之間的間隙。三維成型的引線框架是導電的、尤其 是金屬的、三維成型的結構，例如具有格柵的形式，其例如通過成本低廉的沖壓、刻蝕和/ 或彎曲例如在卷筒上或者以條的形式來制造。三維成型意味著尤其是從一個平面彎出來。 作為材料合適的優選是Cu合金，例如錫青銅CuSn6或者SB02，即Cu98i^e2。典型的厚度在 0. 2mm至0. 5mm的范圍中。不同于這里限定的三維成型的引線框架，同樣使用平面的引線框 架。針對三維成型的引線框架和平面的引線框架的總術語是引線框架。在實施例中，三維 成型的引線框架用作沖壓彎件或者沖壓格柵。根據另一有利的擴展方案，第一和/或第二無機材料是陶瓷高溫材料，其尤 其是通過噴射、浸漬或者燒結來提供，更確切地說，尤其是在無機或者有機復合基體 (Verbundmatrix)中來提供。根據另一有利的擴展方案，第一和/或第二無機材料是玻璃(其例如通過在 400°C的溫度情況下玻璃焊劑重熔來產生)、亞硝酸硼(Bornitrit)、碳化硼、高溫水泥、亞 硝酸硅、混合陶瓷、氧化鋁、多重結合的碳化硅和/或陶瓷粘合劑(例如Kager公司的產品 “Ceramacoat”)。可以提供SiC模塊。碳化硅相比于Si電子設備、尤其是在開關頻率、工作 溫度和功率密度方面是有利的。該材料可以借助濺射工藝、化學氣相淀積(CVD)或者等離 子體方法來施加。根據另一有利的擴展方案，填充層具有多層結構，其中各層與不同的要求匹配，并 且借助噴射或者層壓來施加。尤其是陶瓷層可以滿足不同的要求，即例如縱向膨脹、電絕緣 或者通過多層結構的附著。例如，第一覆層與底板的縱向膨脹系數匹配，底板例如是直接銅 鍵合襯底，或者銅鍵合板。施加例如可以借助噴射(更確切地說為等離子體噴射、火焰噴射、 真空噴射和低壓噴射)或者同樣借助單個層的層壓來產生。根據另一有利的擴展方案，在各層之間施加增附劑例如硅烷，用于提供各層的有 效附著。通過這種增附劑，附加地實現至各層的良好附著。根據另一有利的擴展方案，在填充層上尤其是借助絲網印刷噴射、浸漬、層壓、涂 抹來施加例如Al (OH3)的層，用于閉合和修復(Ausheilen)最后層的孔和裂縫。此外，密封 性是有重要意義的。在此，在環氧樹脂和硅樹脂的基礎上產生典型的密封物，例如所謂的溶 膠凝膠。通過這種方式，實現了改進的可靠性、降低的損耗功率、高的電流密度、集成能力、 緊湊的構造、靈活的布局、通過堆疊可能性(即三明治結構)得到的電磁屏蔽。根據另一有利的擴展方案，在開口中和/或在電絕緣承載膜的至少一側上借助施 加至少一個結構化的、平坦的、電的、尤其是由Cu-Ni/Au、Ag、Sn-Ag構成的導體層來實現產 生電接觸。提供了一種由無機材料構成的合適的、薄的絕緣承載膜，如例如是玻璃膜，例如 帶有兩側結構化的Cu金屬化物并且尤其是分配給接觸面例如源極、柵極和漏極接觸部的 開口。器件接觸面根據連接方法例如在前面的晶片級工藝中設置有對于連接方法合適的功 能層例如Cu、Ni/Au, Ag、SnAg金屬化物。根據另一有利的擴展方案，借助電鍍或者印刷來實現產生導體層。在通過電鍍技 術的接觸中，臨時的固定裝置面例如粘合面或者粘合臺同樣用作密封裝置，也即防止液體 到達承載膜和電子器件或者可能的Cu引線框架之間。印制導線結構或者接觸部同樣可以通過印刷工藝在電子器件的所產生的預備之后根據數據來產生。根據另一有利的擴展方案，借助將導體層電接觸、例如借助將導體層釬焊或者熔 焊到至少一個引線框架上來產生電接觸部，該引線框架尤其是由銅構成。作為接觸部，可以 通過在例如玻璃開口中的金屬化例如電鍍穿通接觸、釬焊連接、熔焊連接來提供與布局匹 配的、尤其是在兩側被施加的Cu引線框架。在兩側可能的、在Cu引線框架上大面積的器件 接觸例如可以通過按標準的釬焊方法或者同樣借助沒有焊劑的連接方法來進行，如這例如 是納米Ag、激光/超聲焊接等等。外部端子同樣可以借助引線框架、尤其是Cu引線框架的 構型和改型來成本低廉地一同產生。通過使用引線框架連接技術和使用自動化的過程，可 以成本低廉地提供電子器件或者功率模塊。根據另一有利的擴展方案，借助自動光學檢測(AOI)進行器件在臨時的固定裝置 面上的定位。根據AOI進行的電子器件例如在臨時的固定裝置面上的定位能夠實現至接觸 面、例如引線框架的準確的分配。在通過電鍍的接觸中，該固定裝置面同樣用作密封裝置， 即防止了液體到達承載膜和芯片或者Cu引線框架之間。可替選地，在關鍵位置上也可以施 加薄的疏水層。根據另一有利的擴展方案，進行填充層的向后磨削直到器件的或者另一部件的背 離承載膜的側。根據另一有利的擴展方案，將冷卻體和/或另外的接觸部施加在電接觸部和/或 在器件的背離承載膜的側上了。由此，得到雙側的冷卻，其實現了改進的可靠性、降低的損 耗功率、高的電流密度、集成能力、緊湊的結構以及靈活的布局。進行冷卻體和/或背側接 觸部的施加。同樣可以提供類似的附加物。在需要時，預備器件上側和/或下側可以為了 改進熱學管理附加地例如實施以厚的、結構化的Cu塊用于在短路情況下短時散熱。根據另一有利的擴展方案，可以借助組成部分的集成和多層結構來提供嵌入式系 統、所謂的 embedded system。借助實施例結合附圖來進一步描述本發明。其中
圖1示出了根據本發明的方法的一個實施例；
圖2示出了根據本發明的電子器件或者電子功率模塊的一個實施例。圖1示出了根據本發明的方法的一個實施例，在此，該方法具有以下步驟。借助步 驟Sl進行在承載膜中的開口的切除。借助步驟S2進行電子器件、引線框架等等在承載膜 上的定位和固定。借助步驟S3進行間隙的填充。借助步驟S4進行間隙材料的向后磨削直 到電子器件或者其他部件的后側。借助步驟S5進行在電子器件和引線框架以及其他部件 之間的接觸的建立。借助步驟S6進行冷卻體和/或其他后側接觸部的施加。根據另一圖2示出了根據本發明的電子器件或者電子功率模塊的一個實施例。參 考標記1表示電子器件，其例如是場效應晶體管。其他電子器件同樣是可能的。參考標記3 表示具有至少一種第一無機材料的、電絕緣的承載膜。器件1固定在具有至少一種第一無 機材料的、電絕緣的承載膜上。承載膜3具有至少一個開口 5，在該開口中設置有朝向器件 1的外部的、器件1的至少一個電接觸部7。在外部同樣意味著從功率模塊出來。參考標記 9表示用于電絕緣的、具有至少一種第二無機材料的填充層，用于填充間隙。在此，間隙例如 是在電子器件1、承載膜3和引線框架11之間的空間。在此，填充層9可以具有多層結構， 其中各層與不同的要求匹配。在各層之間可以構建增附劑用于提供各層的有效附著。在填充層9上可以施加用于閉合和修復最后的層的孔和縫隙的覆層。在圖2中，最后的層是填 充層9的最上層。圖2示出了借助將導體層7電接觸到至少一個引線框架11上來產生電 接觸部7，該引線框架尤其是由銅構成。外部端子通過引線框架11的構型和改型來成本低 廉地產生。參考標記13表示在電接觸部7上和/或在器件1的背離承載膜3的側上的至 少一個冷卻體和/或其他的接觸部。圖2示出了用于高于175°C、尤其是高于200°C的高溫 應用的、基于無機的功率模塊。
權利要求
1.一種用于產生模塊的至少一個電子器件(1)的方法，包括以下步驟在具有至少一種第一無機材料的電絕緣的承載膜(3)中切除為該器件(1)的至少一個 電接觸部(7)而設計的至少一個開口(5)；將該電子器件(1)定位和固定在所述承載膜(3)上；產生向該電子器件(1)的外部的電接觸部(7)；其特征在于，為了構建該模塊僅僅使用無機的或者多重結合的無機絕緣材料(3 ;9)。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，用具有至少一種第二無機材料的填充層 (9 )填充在電子器件(1)、承載膜(3 )和引線框架(11)之間的間隙，用于借助高溫封裝對電 子器件(1)進行電絕緣。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一和/或第二無機材料是陶 瓷高溫材料、尤其是無機復合基體中的陶瓷高溫材料。
4.根據權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，第一和/或第二無機材料是玻璃、 亞硝酸硼、碳化硼、高溫水泥、亞硝酸硅、混合陶瓷、氧化鋁、碳化硅和/或陶瓷粘合劑。
5.根據權利要求2、3或4所述的方法，其特征在于，該填充層(9)具有多層結構，其中 各層與不同的要求匹配，并且尤其是借助噴射或者層壓來施加。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，在各層之間施加增附劑例如硅烷，用于 提供各層的有效附著。
7.根據權利要求2至6之一所述的方法，其特征在于，在所述填充層(9)上尤其是借 助絲網印刷、噴射、浸漬、層壓、涂抹來施加例如Al (OH3)的覆層，用于閉合和修復最后層的 孔和裂縫。
8.根據上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，在所述開口(5)中和/或在電絕 緣的承載膜(3)的至少一側上借助施加至少一個結構化的、平坦的、電的、尤其是由Cu、Ni/ Au、Ag、Sn-Ag構成的導體層來產生電接觸部(7)。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，借助電鍍或者印刷來產生導體層。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特征在于，借助將該導體層電接觸、例如借助 將該導體層釬焊或者熔焊到至少一個引線框架(11)上來產生電接觸部(7)，其中該引線框 架尤其是由銅構成。
11.根據權利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，借助自動光學檢測進行器件 (1)在臨時的固定裝置面上的定位。
12.根據權利要求2至8之一所述的方法，其特征在于，進行所述填充層(9)的向后磨 削直到該器件(1)的或者另一部件的背離承載膜(3)的側。
13.根據權利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，將至少一個冷卻體(13)和/ 另外的接觸部施加在該電接觸部上和/或在該器件(1)的背離承載膜(3)的側上。
14.一種模塊的電子器件(1)，其中該器件(1)固定在具有至少一種第一無機材料的 電絕緣的承載膜(3)上，該承載膜具有至少一個開口(5)，在該開口中設置有器件(1)的至 少一個向外的電接觸部(7)，其特征在于，為了構建該模塊僅僅使用無機的或者多重結合的 無機絕緣材料(3 ；9)。
15.根據權利要求14所述的電子器件，其特征在于，具有至少一種第二無機材料的填 充層(9 )用于借助高溫封裝來電絕緣該電子器件(1)，其中所述填充層(9 )填充在電子器件(1)、承載膜(3)和引線框架(11)之間的間隙。
16.根據權利要求14或15所述的電子器件，其特征在于，第一和/或第二無機材料是 陶瓷高溫材料、尤其是無機復合基體中的陶瓷高溫材料。
17.根據權利要求14、15或16所述的電子器件，其特征在于，第一和/或第二無機材 料是玻璃、亞硝酸硼、碳化硼、高溫水泥、亞硝酸硅、混合陶瓷、氧化鋁、多重結合的碳化硅和 /或陶瓷粘合劑。
18.根據權利要求15至17之一所述的方法，其特征在于，所述填充層(9)具有多層結 構，其中各層與不同的要求匹配。
19.根據權利要求18所述的電子器件，其特征在于，在各層之間構造增附劑例如硅 烷，用于提供各層的有效附著。
20.根據權利要求15至19之一所述的電子器件，其特征在于，在所述填充層(9)上施 加例如由Al (0H3)構成的覆層，用于閉合和修復最后層的孔和裂縫。
21.根據前述權利要求14至20之一所述的電子器件，其特征在于，在開口中和/或 在電絕緣的承載膜(3)的至少一側上借助施加至少一個結構化的、平坦的、電的、尤其是由 Cu、Ni/Au、Ag、Sn-iVg構成的導體層來產生電接觸部(7)。
22.根據權利要求21所述的電子器件，其特征在于，借助電鍍或者印刷來產生導體層。
23.根據權利要求21或22所述的電子器件，其特征在于，借助將導體層電接觸到至少 一個引線框架(11)上來產生電接觸部(7)，其中該引線框架尤其是由銅構成。
24.根據權利要求14至23之一所述的電子器件，其特征在于，所述器件借助自動光學 檢測在臨時的固定裝置面上被定位。
25.根據權利要求15至M之一所述的電子器件，其特征在于，所述填充層(9)被向后 磨削直到器件(1)的或者另一部件的背離承載膜(3)的側。
26.根據權利要求14至25之一所述的電子器件，其特征在于，至少一個冷卻體(13)和 /或其他接觸部被施加在電接觸部(7)上和/或在器件(1)的背離承載膜(3)的側上。
全文摘要
本發明涉及一種電子器件，尤其是一種功率模塊和一種用于該電子器件的制造或者接觸的相應方法。本發明的特征在于，將器件(1)固定在具有至少一種第一無機材料的電絕緣的承載膜(3)上，該承載膜具有至少一個開口(5)，在該開口中設置有向器件(1)外的、該器件(1)的至少一個電接觸部(7)。通過這種方式，可以提供針對大于175℃的溫度范圍的電子器件(1)，尤其是功率模塊。
文檔編號H01L23/15GK102084481SQ200980125511
公開日2011年6月1日 申請日期2009年6月16日 優先權日2008年7月2日
發明者盧普 F., 韋德納 K. 申請人:西門子公司