具有短路故障模式的功率半導體模塊的制作方法
本發(fā)明涉及一種功率半導體模塊和功率半導體結(jié)構(gòu)，所述功率半導體結(jié)構(gòu)包括具有魯棒短路故障模式的這種功率半導體模塊。
在功率電子器件中，如例如絕緣柵雙極晶體管(igbt)等半導體組件用于各種不同的應(yīng)用，如例如用于風力設(shè)施的控制單元。igbt的優(yōu)點在于良好的通路特性、高反向電壓和一定的魯棒性。igbt利用幾乎無功率驅(qū)動的場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點，并且相對于短路還具有一定的魯棒性，因為igbt限制了負載電流。
在功率半導體模塊的操作期間，由于各種不同的原因(如例如外部故障)可能發(fā)生過載和故障。當具有借助鍵合接線的頂側(cè)連接的功率半導體模塊發(fā)生故障時，在鍵合接線在故障時發(fā)生熔融之后經(jīng)常發(fā)生電弧，所述電弧導致模塊爆炸。對于多個在高功率范圍內(nèi)應(yīng)用igbt的領(lǐng)域，針對無爆特性或至少減輕爆炸后果的特性提出了更高的要求。上述半導體組件由于在大型設(shè)施領(lǐng)域中要切換至的高功率而在較大的單元中進行互連，這可能會導致較大功率單元的完全失靈，特別是在單個半導體組件發(fā)生爆炸的情況下。除了由爆炸導致的直接損害之外，在這種情況下，由于爆炸而造成的通過爆炸后的模塊的分布在所有表面上的硅樹脂封裝化合物顆?；蛘魵鈱φ麄€大型單元的污染被視作是特別有害的。修理以這種方式損壞和污染的單元實際上是不可能的，因為在修理的情況下，所有的接觸和表面都將必須被清潔，這將是極其昂貴的。
先前的發(fā)展主要面向改進的生產(chǎn)性和改進熱負載容量，而使功率半導體模塊爆炸的不利影響最小化僅涉及對其征兆的對抗，而不是避免其起因。通過示例，存在動力來通過設(shè)計有“預(yù)先確定的斷裂位置”的殼體使得模塊的爆炸變得可管理，所述預(yù)先確定的斷裂位置用于如下效果：顆粒和蒸氣的散發(fā)被引導到特定的方向上并且不會以不受控的方式發(fā)生在所有方向上。
ep0520294a1描述了一種半導體組件以及其制造方法，所述半導體組件包括在其頂側(cè)上的附加體，所述附加體用作熱緩沖器并由高導熱材料構(gòu)成，所述附加體具有關(guān)于附加熱負載脈沖的增大的負載容量。此外，wo2013/053420a1和wo2013/053419a1公開了一種功率半導體芯片以及其制造方法，所述功率半導體芯片包括用于與粗接線或帶狀物形成接觸的金屬成型體。這里的主要目標是面向長壽命以及就此而言具有特定要求的魯棒模塊，所述模塊放置在半導體的經(jīng)受較高的熱力和電力要求的上部和下部連接位置上。以通常的方式，經(jīng)常利用用于粗鋁接線的鍵合過程的金屬化物來優(yōu)化半導體的頂側(cè)，已知這種半導體的頂側(cè)上的鋁接線的故障經(jīng)常構(gòu)成限制因素。利用已知的功率半導體芯片以及其制造方法，旨在通過冒著較小斷裂風險的更穩(wěn)定的實現(xiàn)方式來提高壽命，并從而提高收益。在這種現(xiàn)有技術(shù)的情況下，這通過如粗接線銅鍵合技術(shù)的頂側(cè)接觸連接的實施例來實現(xiàn)，這不僅使得增加的機械負載成為可能，而且還使得用于承受交變負載的電流承載容量和耐力的顯著增長成為可能。為此目的，使用了由銅、銀、金、鉬、鎢以及其合金構(gòu)成的成型體，所述成型體的厚度為30μm至300μm。
de2020012004434u1描述了一種金屬成型體，所述金屬成型體用于產(chǎn)生具有頂側(cè)電位區(qū)域的功率半導體芯片與粗接線的連接。與通常在半導體的頂側(cè)上使用的鋁接線鍵合技術(shù)(其中鋁接線尤其會在過載的情況下發(fā)生故障)相比，這種現(xiàn)有技術(shù)涉及面向金屬成型體的目標，所述金屬成型體具有良好的導電性和導熱性，并且同樣由銅、銀、金、鋁、鉬、鎢以及其合金構(gòu)成，所述金屬成型體的厚度為30μm至300μm，其中優(yōu)選地使用了接線直徑寬達600μm直徑的銅粗接線鍵合。因此，相對較厚的金屬成型體因此提供了使用用于其頂側(cè)上的接觸連接的粗銅接線和銅帶狀物(準確地說，即使對于薄的半導體元件而言)的可能性，特別是因為金屬成型體通過與銅粗接線的鍵合來保護半導體的敏感的薄金屬化表面。由于它們的熱容量，已知的金屬成型體提供更均勻的加熱，并由此構(gòu)成熱緩沖器。
所有這些功率半導體組件以及其制造方法的共同之處在于描述它們的現(xiàn)有技術(shù)并沒有解決避免爆炸的主題。1999年5月在加拿大多倫多舉行的功率半導體器件和集成電路的國際研討會重印的gekenidis等人的出版物“igbt高壓模塊的爆炸測試”，所述出版物描述了如何能夠在爆炸發(fā)生時增加對接線鍵合的模塊的保護。所述出版物描述了殼體中可由于短路而出現(xiàn)等離子體，所述等離子體不可以朝向外部進行穿透，從而(例如)使逆變器不會被損壞。因此，所述出版物僅描述了：所述殼體旨在被實施為使得他們成為相應(yīng)的防爆件；并未對igbt模塊的防爆設(shè)計進行描述。此外，由電弧生成并且具有高達20000℃的溫度的等離子體甚至可分解內(nèi)部絕緣物的不可燃材料并產(chǎn)生爆炸性氣體混合物，因此這個已知的解決方案在非常高的釋放能量下是不安全的。
通過2009pcim歐洲大會的記錄，billmann等人的會議論文“hvdc傳輸應(yīng)用中的基于igbt模塊的高功率逆變器的防爆殼體”同樣描述了：在接線鍵合的igbt模塊的情況下，旨在增加它們的壽命以及承受交變負載的能力；以及由于過載條件可能會造成逆變器損壞，因為igbt會發(fā)生爆炸。因此，致力于研究爆炸的原因，所述原因在于形成電弧，并且用于使igbt中發(fā)生的爆炸的后果最小化的所述措施包括在具有更高剛度的防爆殼體的意義上對殼體進行的改進設(shè)計。因此，僅描述了對殼體進行的機械結(jié)構(gòu)改進。在joseflutz的“halbleiter-leistungsbauelemente:physik,eigenschaften,
然而，即使在(諸如lutz的圖4.10中所圖解的)使用釬焊技術(shù)的晶閘管模塊的結(jié)構(gòu)的情況下，通常所述故障不與爆炸相關(guān)聯(lián)。這里，同樣，半導體體發(fā)生了故障。大面積的釬焊的上部接觸連接以及具有足夠厚的銅板的釬焊連接使得甚至在故障發(fā)生之后仍能承載電流，盡管這并未進行任何進一步的詳細說明。然而，對于igbt，這類設(shè)計不是常規(guī)的，并且無法容易地應(yīng)用于igbt的設(shè)計。然而，主要是與具有現(xiàn)代igbt的殼體相比，這些晶閘管殼體中并未容納有并聯(lián)電路，但并聯(lián)電路通常存在于功率半導體模塊領(lǐng)域之中。
在此背景下，本發(fā)明的目的是提供一種功率半導體模塊以及功率半導體結(jié)構(gòu)，所述功率半導體結(jié)構(gòu)包括至少一個這種類型的功率半導體模塊，所述功率半導體模塊允許以避免功率半導體模塊發(fā)生爆炸的方式的所謂的魯棒短路故障模式。
根據(jù)本發(fā)明，功率半導體模塊被實施成使得其可從操作模式轉(zhuǎn)變成無爆魯棒短路故障模式，所述短路故障模式也被表示為scfm。根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊包括半導體，所述半導體是(例如)igbt或一些其他功率組件，并且具有在其頂側(cè)處形成電位區(qū)域的金屬化物，所述金屬化物由絕緣物和鈍化物分開。在另外設(shè)置的導電連接層上通過燒結(jié)來涂敷金屬成型體，以使得所述金屬成型體被材料鍵合到對應(yīng)的電位區(qū)域。金屬成型體實施成使得其顯著地厚于連接層，并且具有低橫向電阻。根據(jù)本發(fā)明，金屬成型體具有用于以某種方式使流過其的電流橫向均質(zhì)化的裝置，以使得其橫向電流流動分量得以保持，確切地說，而使金屬成型體、安裝于其上的具有高電流能力的連接件以及功率半導體模塊的與其連接的部分不產(chǎn)生損壞。由于以下事實而以無爆方式發(fā)生從操作模式到魯棒短路故障模式的轉(zhuǎn)變：對連接件進行接觸連接和尺寸設(shè)定，使得在大于功率半導體模塊的額定電流的倍數(shù)的過電流負載的情況下，操作模式經(jīng)歷轉(zhuǎn)變到短路故障模式(scfm)，確切地說，其中連接件在不形成電弧的情況下保持在金屬成型體上，使得從操作模式到短路故障模式的轉(zhuǎn)變是以無爆方式發(fā)生變化的。避免形成電弧是顯著的優(yōu)點，因為形成電弧的高溫電離氣體的存在可能會通過點燃爆炸性空氣或借助通過不受控的熱膨脹引起封裝的破壞而觸發(fā)爆炸。具有高電流能力的連接件具有相對于金屬成型體的最小橫截面積a，所述最小橫截面積a的大小是基于最壞情況(即，最不利的條件)下的電流iwc與范圍在1x10-4至5x10-4mm2/a內(nèi)的系數(shù)ζ的乘積來計算的。
優(yōu)選地，基于兩倍的功率半導體模塊的額定電流與每個模塊的芯片的數(shù)量的乘積來計算最壞情況下的電流iwc。
優(yōu)選地，設(shè)置了連接到功率半導體模塊的電路上的熔斷器。功率半導體模塊以無爆方式改變成魯棒短路故障模式，直到熔斷器跳閘并且過載電流被切斷。熔斷器需要一定的時間供其進行反應(yīng)，以便使功率半導體模塊從電流源斷開連接。功率半導體模塊的尺寸因此被設(shè)定成使得(由于熔斷器的常規(guī)惰性)魯棒短路故障模式至少渡過熔斷器的惰性時間。這個連接件中的熔斷器可包括需要在故障排除之后進行更換的犧牲設(shè)備或者諸如斷路器的可復(fù)位設(shè)備。
與現(xiàn)有技術(shù)(僅涉及設(shè)計殼體，以使得在發(fā)生在操作期間的(例如)igbt的爆炸的情況下，殼體僅吸收由爆炸所釋放的力，從而導致避免對(例如)完整的堆中的相鄰的模塊和組件造成損害，也就是說，功率半導體的殼體防止由于爆炸而造成的損壞擴散)相比，本發(fā)明涉及選擇甚至最初就不會發(fā)生爆炸的結(jié)構(gòu)。這主要可通過以下來實現(xiàn)：使金屬成型體中的橫向電流流動均質(zhì)化(確切地說，優(yōu)選地)至少直到當前的熔斷器切斷功率半導體模塊，所述切斷可在爆炸前實現(xiàn)。
優(yōu)選地，金屬成型體具有一定的大小或范圍，使得覆蓋了功率半導體上的至少70％到優(yōu)選地95％(如果適當?shù)模?00％)的金屬化物。由于金屬成型體因此不僅具有明顯大于連接層的厚度的相應(yīng)的必要厚度而且具有盡可能大的面積范圍的事實，橫向電流流動可被均質(zhì)化。這進而成為以無爆方式實施的根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊的基本先決條件。
根據(jù)另外的優(yōu)選實施例，功率半導體模塊的尺寸被設(shè)定成使得連接件橫截面積與連接件接觸面積加上連接件接觸周長乘以金屬成型體的厚度的比率在0.05至1.0的范圍內(nèi)。因此，對于功率半導體模塊的無爆實施例，優(yōu)選地，所指示的尺寸設(shè)定規(guī)格在限定的比率的范圍內(nèi)。因此，重要的是，(不管現(xiàn)存的受限可用區(qū)域)連接件的橫截面積以及同樣由連接件形成的接觸面積盡可能地大。為了確定指示的比率，連接件接觸的周長以及金屬成型體的實際厚度也被并入到比率中(即，尺寸標注規(guī)格中)。這具有的優(yōu)點是，(在大面積上布置并且相對于半導體相對較厚的)金屬成型體另外保護半導體，并且還確保其他實施例的所謂的粗接線或厚連接件可永久地可靠地以相應(yīng)較大的接觸面積機械地并且電氣地連接到金屬成型體。
在另外的優(yōu)選實施例中，金屬成型體以及連接件由相同的材料(優(yōu)選地，銅)構(gòu)成，并且所述連接件相對于金屬成型體形成單金屬接觸。這涉及微電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和連接技術(shù)中的特定應(yīng)用。應(yīng)理解，單金屬接合連接件是不形成金屬間相的一個連接件。這種連接技術(shù)主要用于將薄的芯片堆疊成薄片組合，以便(尤其還由于避免了金屬間相)實現(xiàn)極小的結(jié)構(gòu)高度，從而實現(xiàn)極高的包裝密度連同實現(xiàn)所生成的連接件的低熱負載和最大可靠性。
在另外的實施例中，所使用的連接件是通過鍵合固定到金屬成型體上的厚接線、帶狀物或帶。
單個連接件的橫截面積a或多個連接件的橫截面積之和被選擇成使得即使在(可具有多達24個單個芯片的)模塊中的常規(guī)并聯(lián)電路的情況下，連接件(至少在一定時期內(nèi))不會熔穿。為此，在最壞的情況下，組件的連接件必須接受全部24個芯片的電流，而不會由于蒸發(fā)而生成電弧。如果所述芯片具有例如150a的額定電流，并且如果承受了兩倍的額定電流，則產(chǎn)生了7200a作為最壞的情況下的瞬時電流承載容量iwc。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，金屬成型體被實施成在其面積范圍方面具有變化的厚度，具體地說其邊緣區(qū)域中普遍存在的厚度小于其中心區(qū)域中普遍存在的厚度。在這種情況下，金屬成型體的厚度的變化可以階梯式方式或利用連續(xù)轉(zhuǎn)變來實施。優(yōu)選地，金屬成型體的厚度(具體地說，以連續(xù)的或階梯式方式)從所述金屬成型體的中心朝向其邊緣區(qū)域減少。與至少在相對于金屬成型體的中心區(qū)域的區(qū)域中的厚度相比，金屬成型體的在其邊緣區(qū)域處的不同厚度尤其用于通過改變金屬成型體的電阻來進一步使橫向電流流動均質(zhì)化。這種實施例還具有另外的熱化學優(yōu)點，以達到減小硅與金屬成型體之間的機械應(yīng)力的效果。
優(yōu)選地，金屬成型體還可具有呈孔或槽的形式的切口，(例如)以便使金屬成型體與半導體之間的熱機械應(yīng)力最小化。然而，應(yīng)以如下方式對所述切口進行尺寸設(shè)定和布置，使得它們不會顯著阻礙橫向電流流動分量。優(yōu)點因此可被附加到(例如)以星形的方式定向的槽或一系列的孔，而不是布置在同心圓的扇區(qū)上的那些。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊被實施成使得功率半導體的額定電流的所述倍數(shù)在1000a至1500a(如果適當?shù)?，甚至更?的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，金屬成型體在其面向連接層的一側(cè)上的面積大于與到相關(guān)聯(lián)的電位區(qū)域的電連接的面積。(具有由于其較大面積而產(chǎn)生的懸突的)金屬成型體與所述懸突一同固定在有機、非導電的載體膜上。金屬成型體的優(yōu)點(即，盡可能地大)在于橫向電流流動的均質(zhì)化可實現(xiàn)得越好，所述金屬成型體的實施例越大。
優(yōu)選地，載體膜被實施或具有一定的大小，以使得它粘性地覆蓋功率半導體的表面的未被接合的區(qū)域。載體膜因此保護功率半導體的未接合另外的元件的區(qū)域。
優(yōu)選地，功率半導體模塊的功率半導體被實施成使得它在其頂側(cè)和下側(cè)上都具有對應(yīng)的金屬成型體。換句話說，除了頂側(cè)金屬成型體之外，在功率半導體的下側(cè)上布置了另外的金屬成型體，其中另外的金屬成型體通過另外的電連接層連接到功率半導體，所述電連接層通過低溫燒結(jié)(具體地說，銀低溫燒結(jié))生成。因此可進一步提高功率半導體模塊的緊湊性。
根據(jù)本發(fā)明的一種改進方案，設(shè)置有電位的多個頂側(cè)電位區(qū)域還可以設(shè)置在功率半導體模塊上，在所述電位區(qū)域上，各自布置有與所述多個電位區(qū)域相對應(yīng)的多個金屬成型體。
在現(xiàn)有技術(shù)中，鋁被設(shè)置為金屬化層以及廣泛應(yīng)用中的連接件的材料，并且通常確切地說這無法確保防爆保護。在由于缺陷獲取低阻抗并汲取整個負載電流的有缺陷的半導體單元的情況下，鋁金屬化層的相對小的橫截面局部地導致其蒸發(fā)，這導致接線在非常早的時間點從其提升，因此導致具有爆炸的后果的電弧的產(chǎn)生。優(yōu)選地，然后，根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊此外設(shè)置金屬成型體，所述金屬成型體由熔點比鋁(具體地說，銅、銀、金、鉬、鎢或其合金)的熔點至少高300k的材料構(gòu)成，并且其中連接層具有相對高的熔點，并具體地由銀、銅或金構(gòu)成。與鋁相比明顯更高的熔點顯著地減少了引起爆炸的電弧或甚至防止其產(chǎn)生。
功率半導體模塊通常以組裝的方式進行布置，并且設(shè)置有優(yōu)選地布置在外部的熔斷器。在明顯超過額定電流的過電流的情況下，熔斷器的任務(wù)是(確切地說，在電弧引起的爆炸在這種功率半導體模塊的內(nèi)部發(fā)生之前)確保切斷多個這類模塊的對應(yīng)的組裝下的功率半導體模塊。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，根據(jù)(根據(jù)在此的前述實施例的)特征的功率半導體模塊用于被爆炸危害的環(huán)境中，具體地用于風力設(shè)施的控制單元中。在風力設(shè)施的控制單元的情況下，例如，許多功率半導體模塊接合在一起以形成功率半導體。重要的是在這種設(shè)施中，在單個半導體模塊發(fā)生短路的情況下，功率半導體模塊以及與其相鄰的組件不會受到不利影響。
現(xiàn)將參照附圖說明本發(fā)明的另外的優(yōu)點、特征以及可能的應(yīng)用。在附圖中：
圖1：示出了具有已知設(shè)計的有缺陷的半導體模塊的簡化圖解；
圖2：利用根據(jù)具有所謂的dbb(金屬成型體)的本發(fā)明的實施例的基本圖解，示出了有缺陷的半導體模塊的簡化圖解；
圖3：示出了金屬成型體的邊緣區(qū)域的三個不同的實施例，其中為了簡單起見，省略了半導體模塊的另外的元件；
圖4：示出了在短路的情況下形成的熔融區(qū)的簡化圖解；
圖5：示出了金屬成型體具有切口的實施例；
圖6：示出了本發(fā)明的另一實施例，其中金屬成型體的面積大于與到相關(guān)聯(lián)的電位區(qū)域的電連接的面積，并且
圖7：示出了另一個實施例，其中半導體在其頂側(cè)和下側(cè)上都具有金屬成型體。
圖1示出了呈基本布置的有缺陷的半導體模塊的局部視圖，在所述模塊的情況下，示出了功率半導體1，其中在功率半導體1的頂側(cè)2上設(shè)置了相對較薄的金屬化物3。所述金屬化物3用于以下可能性：連接優(yōu)選的鋁粗接線6以便通過粗接線鍵合將其固定在金屬化物3上。半導體模塊的這種布置對應(yīng)于已知的現(xiàn)有技術(shù)。在功率半導體1中，通過鋸齒狀線19描繪了缺陷，所述缺陷可具有以下影響：電流流動5的(如箭頭所描繪的)基本路線導致其穿過功率半導體1的缺陷。在這種已知的功率半導體單元1的布置中，在所圖解的缺陷19以及使用薄的金屬化層以用于鍵合鋁粗接線的情況下，由于半導體特性和熱邊界條件導致的燒穿最有可能發(fā)生在功率半導體1的未被鍵合接線6覆蓋的區(qū)域中。這些已知的半導體模塊的一個主要問題是可由于其結(jié)構(gòu)實施例而發(fā)生爆炸。由于，對于控制設(shè)施，許多功率半導體模塊10以組裝的方式進行組合，因此出于各種各樣的原因，此種爆炸是可怕的。首先，如果發(fā)生爆炸，會出現(xiàn)有害的蒸氣以及由于高溫引起的等離子體，這可能損壞或同樣地毀壞許多相鄰的半導體模塊和組件。因此，整個控制單元可能變得不可用。其次，由于倘若發(fā)生爆炸可能釋放有害物質(zhì)，這種爆炸還可能使維護或操作這些控制單元的人員的生命和肢體蒙受傷害。
爆炸通常發(fā)生在過載電流流過單個單元時，所述情況可能是，例如，當由控制單元控制的電機被阻塞時。此外，由于功率半導體模塊10的元件的老化，也可能發(fā)生過載。在操作期間，受損的功率半導體模塊10將被優(yōu)先考慮來首先加熱，其作為最弱的單元然后還會首先失靈或構(gòu)成達到最高溫度的模塊。所述半導體模塊變成局部上導通的，并且未獲取阻抗，并從而繼續(xù)將電流汲取到其自身。在此種過載電流的情況下，圖1中所圖解的薄金屬化物3相對較快地達到過載狀態(tài)。鍵合接線6可具有大約100至500μm的厚度，并且借助超聲摩擦焊接或通過壓力焊接來焊接到薄金屬化層3。這類鍵合接線與金屬化層具有(相對于鍵合接線6的周長的)較小的相對平面的連接面積。
為了使電流盡可能均勻地分布在半導體模塊中，在單元中設(shè)置了盡可能多的接線(即，盡可能多的連接件6)。然而，半導體模塊的空間要求限制了連接件的數(shù)量。倘若過載，圍繞直接連接件6的區(qū)域的金屬化層3首先分解，因此，其中存在的接線相對較快地提升并中斷電連接。這進而導致剩余的仍連接的接線的負載更高。當另外的接線已經(jīng)分離，一旦半導體模塊中最后的接線分離，就會產(chǎn)生電弧。電弧中產(chǎn)生的極高的溫度具有如下影響，使材料在電弧的區(qū)域中蒸發(fā)并且出現(xiàn)等離子體，從而使得受影響的半導體模塊發(fā)生爆炸，引發(fā)整個控制單元的上述后果。
圖2同樣示出了有缺陷的半導體模塊，其中金屬成型體4布置在功率半導體1的頂側(cè)2上的金屬化層上，在所述金屬成型體上，粗接線6固定到連接件接觸面積7。金屬成型體4具有范圍在100至400μm的厚度8，即，在鍵合接線6的厚度范圍內(nèi)(即在100至500μm的范圍內(nèi))的厚度。附圖同樣描繪了來自鍵合接線6的電流流動5，其經(jīng)由連接件接觸面積7通過金屬成型體4，在所述金屬成型體中，電流流動5基本上為橫向的，然后在端面處從金屬成型體4露出，通過功率半導體1的頂側(cè)2上的金屬化層3，并且最后，通過功率半導體1的缺陷19位置。
令人驚奇的是，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，利用相對較厚的金屬成型體4，橫向電流流動分量存在明顯更好的表現(xiàn)，其中借助根據(jù)本發(fā)明的半導體模塊(根據(jù)圖2)的實施例，能夠更容易地導通開甚至過電流。由于材料厚度相對較大，其中存在的大量材料(通常為銅)在橫向上具有相對較低的電阻。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，利用對半導體模塊進行相應(yīng)的尺寸標注，使其具有如圖2所圖解的類型的金屬成型體4，可確保這種根據(jù)本發(fā)明的功率半導體模塊10即使在過載電流下也不發(fā)生爆炸。其原因是通過使橫向電流流動5均質(zhì)化，由于金屬成型體4中的材料的量，過載電流可保持足夠久以使得熔斷器14熔斷，所述熔斷器屬于半導體模塊或與其連接，并且所述熔斷器還可布置在外部。由于橫向電流流動5比在已知的連接結(jié)構(gòu)的情況下保持了一段明顯更長的時間，因此可防止爆炸。為此，對金屬成型體4的大小進行尺寸設(shè)定也是重要的。具體地，功率半導體1的至少70％至95％的發(fā)射極面積被金屬成型體4覆蓋。借助這種措施，實現(xiàn)了大約300μs的爆炸延遲，這足以使相關(guān)聯(lián)的熔斷器熔斷。因此，連接件橫截面積的參數(shù)/大小、連接件接觸面積的大小和連接件接觸周長的大小以及金屬成型體4的厚度對均質(zhì)化起一定的作用。首先，連接件接觸面積7可大于根據(jù)圖1的實施例的情況下的面積，因為當鍵合接線6在連接件接觸位置7處連接到金屬成型體4上時，鍵合接線6可更好地鍵合到金屬成型體4上并且可與后者一起生成在鍵合接線6的圓周區(qū)域上延伸的實際接觸面積，所述圓周區(qū)域大于根據(jù)圖1的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的示例性實施例中的情況。如果連接件橫截面積與連接件接觸面積加上連接件接觸周長乘以金屬成型體的厚度的比率是0.05至1的數(shù)量級，則提供了結(jié)構(gòu)性措施，其令人驚奇地導致半導體模塊的無爆操作，即使半導體模塊具有缺陷位置。
關(guān)于標注設(shè)定，可應(yīng)用以下簡化的計算估算。
設(shè)計了連接件6的最小橫截面積a(所述連接件具有厚度12，并且可由一片或多片平行引導的單個連接件構(gòu)成)，使得其滿足關(guān)系式
其中ρ是電阻率，tp是直到過電流事件結(jié)束或熔斷器跳閘的脈沖長度，δt是直到達到熔化溫度tmelt之前從操作溫度top可能升高的溫度
δt＝tmelt–top(2)
cspec是所用材料的比熱容，并且iwc是最壞情況下的所述電流，其結(jié)果例如來自
iwc＝2*所述模塊的額定電流*每個模塊并聯(lián)的芯片數(shù)
(3)
具有高導電性的材料(諸如cu、ag、au而且al)在此都是有利的。
以上估算可簡化為
a＝ζ*iwc(4)
對于ζ，利用cu和ag，并且在tp＝10ms的設(shè)計下，出現(xiàn)以下范圍
ζ＝0.0001mm2/a至0.0005mm2/a,
以及利用金，由于較差的導電性和較低的比熱，出現(xiàn)以下范圍
ζ＝0.00015mm2/a至0.0008mm2/a,
利用al，由于al的熔融溫度較低以及等式(1)中所包含的其他參數(shù)，相同的估算得出了范圍
ζ＝0.0002mm2/a至0.001mm2/a.
與cu和ag相比，這是橫截面積的兩倍，但是由于模塊中的空間容量有限，這在技術(shù)上更加難以實現(xiàn)。
通過示例，模塊具有3600a的額定電流，并且其中24個芯片并聯(lián)連接。在最壞的情況下，連接器必須在10ms上承載兩倍的額定電流(所述電流是7200a)。利用cu或ag，然后連接器的最小橫截面積必須在0.72mm2與3.6mm2之間。所述面積可通過一個平面件或通過不同的單個平行鍵合接線來實現(xiàn)。
對于半導體模塊或功率半導體模塊10的特別緊湊的配置，實際功率半導體1也可不僅在其上布置的金屬化層3上的頂側(cè)2處承載金屬成型體4，而且這對于同樣設(shè)置在功率半導體1的下側(cè)9上的金屬化層3也是可能的，其中另外的金屬成型體4連接到所述金屬化層上。為了確保能相應(yīng)地免于爆炸，所述另外的金屬成型體當然應(yīng)在類似的設(shè)計參數(shù)下進行設(shè)計。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實施例，如圖3中所圖解的，金屬成型體4具有其在中心區(qū)域4.1中的厚度不同于邊緣區(qū)域4.2中的厚度的形式。在這種情況下，邊緣區(qū)域4.2中的金屬成型體4的厚度8發(fā)生變化如下：在邊緣區(qū)域4.2中，該厚度8實施為厚度從金屬成型體4的最大厚度8直接朝向邊緣的的連續(xù)減少(參見圖3a)。
在圖3b)中，邊緣區(qū)域4.2中的厚度的這種連續(xù)減少是線性減少。在根據(jù)圖3c)的邊緣區(qū)域4.2中，通過階梯式實施例實現(xiàn)了厚度的減少。相對于鍵合接線6的厚度，邊緣區(qū)域4.2中的厚度的減少相對較小并且在大約1至5μm的范圍內(nèi)。
圖4圖解了熔融區(qū)11。所述熔融區(qū)出現(xiàn)在金屬成型體4、金屬化層3(連同連接層13一起)與硅芯片1之間。熔融區(qū)11由于缺陷區(qū)域中極其高度的電流集中以及由此產(chǎn)生的熱而出現(xiàn)。熔融區(qū)具有低電阻并且可在相當長的時間內(nèi)承載短路電流，(確切地說)而不會形成電弧，所述電弧可在已知的功率半導體模塊中導致功率半導體模塊爆炸。
圖5圖解了金屬成型體4具有呈細長孔或槽15形式的切口的實施例。這是為了最小化金屬成型體4與半導體1之間的熱機械應(yīng)力的優(yōu)點。以如下方式對這類槽15進行尺寸設(shè)定和布置，使得它們不會顯著阻礙橫向電流流動分量。這里，槽15以星形的方式定向。
圖6圖解了本發(fā)明的另一實施例，其中金屬成型體4在其面向連接層13的一側(cè)上的面積大于與到相關(guān)聯(lián)的電位區(qū)域的電連接的面積。(具有由于其較大面積而產(chǎn)生的懸突的)金屬成型體4與所述懸突一同固定在有機、非導電的載體膜16上。金屬成型體4的優(yōu)點(即，盡可能地大)在于橫向電流流動的均質(zhì)化可實現(xiàn)得越好，所述金屬成型體的實施例越大。
圖7圖解了另一個實施例，其中半導體1在其頂側(cè)和下側(cè)上都具有金屬成型體4、17。換句話說，除了頂側(cè)金屬成型體4之外，在功率半導體1的下側(cè)上布置了另外的金屬成型體17，其中另外的金屬成型體17通過另外的電連接層20連接到功率半導體，所述電連接層20通過低溫燒結(jié)(具體地說，銀低溫燒結(jié))生成。因此可進一步提高功率半導體模塊的緊湊性。
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