功率半导体器件和用于制造功率半导体器件的方法

技术领域

本公开一般地涉及功率半导体器件，并且涉及用于制造功率半导体器件的方法。

背景技术

功率半导体器件可以包括接触引脚，该接触引脚被配置为将功率半导体器件内的不同部件彼此电耦合，或者提供到功率半导体器件外部(例如，到电路板)的接触。这样的引脚可以插入到套管中，套管例如通过焊料接头电耦合并且机械地固定到功率半导体器件的衬底。例如在功率半导体器件的制造期间被施加到这些焊料接头上的机械应力可能导致焊料接头的电和/或机械故障。因此，可能希望消除或者至少减少这些焊料接头所经受的机械应力。改进的功率半导体器件和用于制造功率半导体器件的改进方法可以有助于解决这些和其他问题。

本发明所基于的问题通过独立权利要求的特征来解决。在从属权利要求中描述了另外的有利示例。

发明内容

各个方面涉及一种功率半导体器件，其包括：管芯载体；功率半导体芯片，该功率半导体芯片通过第一焊料接头耦合到管芯载体；用于引脚的套管，该套管通过第二焊料接头耦合到管芯载体；以及密封件，该密封件将套管机械地附接到管芯载体，密封件布置在套管的下端处，其中，该下端面对管芯载体，并且其中，该密封件不覆盖功率半导体芯片。

各个方面涉及一种用于制造功率半导体器件的方法，该方法包括：提供管芯载体；将功率半导体芯片焊接到管芯载体上，从而形成第一焊料接头；将用于引脚的套管焊接到管芯载体上，从而形成第二焊料接头；以及用密封件将套管机械地附接到管芯载体，密封件布置在套管的下端处，其中，该下端面对管芯载体，其中，该密封件不覆盖功率半导体芯片。

附图说明

附图示出了示例，并且与描述一起用于解释本公开的原理。本公开的其他示例以及许多预期优点将容易理解，因为通过参考以下具体实施方式它们变得更好理解。附图中的元件不一定相对于彼此成比例。相同的附图标记指示对应的类似部分。

图1A和图1B示出了功率半导体器件的截面图，其中，密封件布置在用于引脚的套管周围。

图2示出了引脚和布置在引脚周围的密封件的细节图。

图3示出了包括引脚和密封件并且还包括框架的另一功率半导体器件的截面图。

图4A到图4F示出了根据用于制造功率半导体器件的方法的示例的在制造的各个段中的功率半导体器件的截面图。

图5是用于制造功率半导体器件的方法的流程图。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，参考所描述的(一个或多个)附图的取向使用诸如“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上部”、“下部”等的方向性术语。此外，就在具体实施方式或权利要求中使用术语“包括”、“具有”、“带有”或其其他变型而言，这些术语旨在以类似于术语“包括”的方式为包括性的。可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语可以用于指示两个元件彼此协作或交互，而不管它们是直接物理接触还是电接触，或者它们彼此不直接接触；在“接合”、“附接”或“连接”的元件之间可以提供居间元件或层。然而，也有可能“接合”、“附接”或“连接”的元件彼此直接接触。

以下描述的功率半导体器件的示例可以使用各种类型的半导体芯片或并入在半导体芯片中的电路，其中有AC/DC或DC/DC转换器电路、功率MOS晶体管、功率肖特基二极管、JFET(结栅极场效应晶体管)、功率双极型晶体管、逻辑集成电路、模拟集成电路、功率集成电路等。示例还可以使用包括垂直晶体管结构的半导体芯片，垂直晶体管结构例如IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)结构，或者一般地晶体管结构，在该晶体管结构中至少一个电接触焊盘布置在半导体芯片的第一主面上，并且至少一个其他电接触焊盘布置在半导体芯片的与半导体芯片的第一主面相对的第二主面上。

以下描述的功率半导体器件可以包括一个或多个半导体芯片。作为示例，可以包括一个或多个功率半导体芯片。此外，一个或多个逻辑集成电路可以包括在器件中。逻辑集成电路可以被配置为控制其他半导体芯片的集成电路，例如功率半导体芯片的集成电路。逻辑集成电路可以在逻辑芯片中实施。

如本公开中所理解的“密封件”可以是所沉积的插塞，例如，聚合物，其将套管机械地紧固到管芯载体。

图1A和图1B示出了包括管芯载体110、功率半导体芯片120和套管130的功率半导体器件100。另外，功率半导体器件100包括密封件140，其中，密封件140将套管130机械地附接到管芯载体110。

在图1A中，以透明的表示示出了密封件140，使得可以看到整个套管130。在图1B中，以不透明的表示示出了密封140。

功率半导体芯片120通过第一焊料接头150耦合到管芯载体110，并且套管130通过第二焊料接头160耦合到管芯载体110。密封件140布置在套管130的下端131处，其中，下端131面对管芯载体110。此外，密封件140布置在功率半导体器件100中，使得密封件140不覆盖功率半导体芯片120。

功率半导体器件100可以例如是功率半导体封装，并且其可以包括包封功率半导体芯片120的包封剂。功率半导体器件100可以包括外部接触部，外部接触部被配置为将功率半导体芯片120连接到该包封剂的外部。

管芯载体110可以例如包括Al、Cu或Fe，或者可以由Al、Cu或Fe组成。管芯载体110可以例如是直接铜接合(DCB)、直接铝接合(DAB)、活性金属钎焊(AMB)或类似类型的衬底。管芯载体110可以特别地包括上侧111和相对的下侧112。上侧111可以包括导电迹线，导电迹线可以例如被配置为将功率半导体芯片120电耦合到插入到套管130中的引脚。

管芯载体110的下侧112也可以是导电的。下侧112可以是功率半导体器件100的外表面。根据示例，管芯载体110可以布置在基板上，使得下侧112面对该基板。

功率半导体芯片120可以被配置为以高电压和/或高电流来操作。功率半导体芯片120可以包括电耦合到插入到套管130中的引脚的功率电极或控制电极。功率半导体器件100可以包括若干套管130，其中，功率半导体芯片120的不同电极耦合到插入到不同套管130中的引脚。

根据示例，功率半导体器件100包括若干功率半导体芯片120。这些功率半导体芯片120可以彼此耦合，从而形成电路，例如，半桥电路、或逆变器电路、或转换器电路。此外，不同的功率半导体芯片120可以耦合到不同的引脚。

套管130可以被配置为具有插入到其中的引脚(例如，连接器引脚)。套管130可以包括可以焊接到管芯载体110上的任何材料或者由其组成。例如，套管130可以包括如Al、Cu或Fe的金属或者由其组成。

套管130可以包括下端131，并且套管130可以包括与下端131相对的上端132。上端132、或者套管130的上部四分之一、或者套管130的上部三分之一、或者套管130的上部一半可以伸出密封件140。然而，也有可能密封件140覆盖套管130的整个长度或者几乎整个长度。

套管130可以布置在管芯载体110的上侧111上。套管130可以与功率半导体芯片120间隔开。例如，套管130可以与功率半导体芯片120间隔开超过1mm、超过5mm、超过10mm、或者超过15mm。套管130可以被布置为相对于管芯载体110的上侧111基本上垂直。

密封件140可以例如包括聚合物或由聚合物组成。例如，密封件140可以包括聚酰亚胺或由聚酰亚胺组成。根据另一示例，密封件140包括非聚合材料或由非聚合材料组成。密封件140可以包括电绝缘材料或由电绝缘材料组成。密封件140可以包括单一材料或者其可以包括材料成分。密封件140可以被配置为提供刚性机械支撑并且将套管130牢固紧固在管芯载体110上。密封件140可以特别地被配置为以大于第二焊料接头160的机械强度(例如，以两倍的强度或三倍的强度)将套管130耦合到管芯载体110。

将密封件140施加到套管130上可以包括例如通过使用分配工艺、喷墨工艺、或喷涂工艺以液体形式(例如，溶解在溶剂中的聚合物)沉积密封件140。施加密封件140还可以包括例如通过施加热或如UV的辐射来固化密封件140。

密封件140可以特别地被配置为以足够的稳定性将套管130机械地耦合到管芯载体110。与不使用密封件140并且套管130仅经由第二焊料接头160机械地耦合到管芯载体110的情况相比，由于密封件140的存在，所以套管130可以以更大的机械强度耦合到管芯载体110。

如图1A中所示，套管130可以包括在其下端131处的加宽的边沿，该边沿可以完全被密封件140覆盖。这可以增加套管130与密封件140之间的接合强度(并且因此也增加套管130与管芯载体110之间的接合强度)。

密封件140可以完全地围绕并且覆盖套管130的下端131。密封件140可以完全地围绕并且覆盖第二焊料接头160。密封件140可以例如具有珠的形式。密封140可以在套管130上居中。密封件140可以与套管130直接接触并且与管芯载体110的上侧111直接接触。密封件140可以例如具有1.5mm或更大、或者2mm或更大、或者2.5mm或更大、或者3mm或更大、或者4mm或更大的直径d。

密封件140可以基本上具有半球形形状，其中，套管130延伸出该半球形的顶部(参考图1A和图1B)。然而，也有可能密封件140采取围绕套管130的弯液面的形式。

功率半导体芯片120、套管130和密封件140可以以密封件140不接触功率半导体芯片120的方式布置在管芯载体110上。在密封件140与功率半导体芯片120之间可以存在间隙x，例如，其可以大于1mm、或者大于1.5mm、或者大于2mm、或者大于3mm。

根据示例，功率半导体器件100可以包括若干套管130和对应的密封件140。套管130和对应的密封件140可以例如沿着管芯载体的一个或多个边缘布置。此外，功率半导体器件100可以包括若干功率半导体芯片120，其可以基本上布置在管芯载体110的中心。

图2更详细地示出了套管200的示例。套管200可以与套管130类似或相同。套管200包括下端201和相对的上端202。套管200还包括中空芯203，中空芯203被配置为容纳如功率半导体器件100的半导体器件的引脚(即，接触引脚)。套管200可以包括在下端201处的加宽的边沿以及在上端202处的另一加宽的边沿。

从上端202的上方和下端201的下方来看，套管200可以是对称的。特别地，两个端部201和202可以是开口的，使得引脚可以从两个端部中的任一个插入。这还意味着，当形成第二焊料接头160时，焊料材料可以蔓延到中空芯203中。例如，如果使用太多焊料材料来创建第二焊料接头160并且焊料材料因此填充中空芯203，则这可能是有问题的。这可能阻止引脚完全插入到套管200中。例如，由于这个原因，使用密封件140将套管200(或套管130)机械地接合到管芯载体110而不是增加焊料材料的量以形成更大且更牢固的焊料接头160可能是有益的。

套管200的下端201和上端202处的加宽的边沿可以例如具有1.5mm或更大、或者1.8mm或更大、或者2mm或更大的直径w

密封件140可以布置在套管200的周围，使得其完全覆盖下端201处的加宽的边沿。至少套管200的上半部分可以伸出密封件140。然而，根据示例，也有可能套管200的多于下半部分被密封件140覆盖。例如，密封件140可以覆盖套管200(几乎)直到上端202上的加宽的边沿。在图2所示的示例中，该密封件具有围绕套管200的弯液面的形式。

图3示出了另一功率半导体器件300的示例，除了以下描述的差异之外，其可以与功率半导体器件100类似或相同。

功率半导体器件300包括如参考功率半导体器件100描述的管芯载体110、至少一个功率半导体芯片120和至少一个套管130及对应的密封件140。

功率半导体器件300还可以包括框架310，其可以例如是塑料框架。框架310可以例如包括侧壁311和盖312。功率半导体器件300还可以包括插入到(一个或多个)套管130中的一个或多个引脚320和/或包封(一个或多个)功率半导体芯片120的包封剂330。

框架310可以被配置为提供空腔，其中，功率半导体芯片120、套管130、密封件140和包封剂330布置在该空腔内。在图3中所示的示例中，框架310布置在管芯载体110的上侧上。然而，也有可能功率半导体器件300包括基板，其中，框架310布置在基板上，并且管芯载体110完全布置在该空腔内(例如，比较图4F中的功率半导体器件300’)。

引脚320可以被配置为延伸出框架310，例如，延伸出盖312。引脚320可以被配置为将功率半导体芯片120电耦合到功率半导体器件300的外部。根据示例，功率半导体器件300可以被配置为具有布置在盖312上的电路板，例如，PCB，其中，引脚312被配置为将功率半导体芯片120耦合到该电路板。

关闭盖312可以包括将引脚320插入到盖312中的孔中，并且将功率半导体芯片120耦合到电路板可以包括将引脚插入到电路板的通孔连接器中。例如，由于制造公差，这可能导致引脚320以倾斜的取向布置在管芯载体110上，这些作用可能将横向力(沿着管芯载体110的平面的力)施加到将套管130耦合到管芯载体110的第二焊料接头160上。强的横向力可能在第二焊料接头160中导致裂纹，并且因此导致半导体器件的电和/或机械故障。

然而，通过使用密封件140，可以避免这样的强的横向力，如以下更加详细地解释的。密封件140可以基本上在套管130与管芯载体110之间提供机械接合，而第二焊料接头160可以仅对于提供套管130(即，管脚320)与管芯载体110之间的电连接是必需的。

包封剂330可以被配置为保护功率半导体芯片120免受外部影响。包封剂330可以例如是凝胶。包封剂330不同于密封件140，并且包封剂330可以特别地由与密封件140不同的材料或材料成分组成。例如，密封件140可以由不可延展的或者几乎不可延展的材料或材料成分组成，而包封剂330可以是容易延展的。此外，密封件140可以相对较强地接合到管芯载体110，并且包封剂330可以相对较弱地接合到管芯载体110。密封件140可以具有比包封剂330高的拉伸强度，例如，两倍的拉伸强度或者三倍的拉伸强度。

图4A到图4F示出了根据用于制造功率半导体器件的方法的示例的在制造的各个阶段中的功率半导体器件300和300’。应当注意，功率半导体器件不必以图4A到图4F中所示的制造阶段的顺序制造。

如图4A中所示，提供管芯载体110。功率半导体芯片120和套管130布置在管芯载体110的上侧111上并且焊接到管芯载体110，从而形成了第一焊料接头150和第二焊料接头160。套管130可以与功率半导体芯片120同时焊接到管芯载体110，或者它们可以在功率半导体芯片120之前或之后焊接到管芯载体110。

如图4B中所示，密封件140在套管130的周围布置在管芯载体110上。将密封件140布置在管芯载体110上可以包括例如通过分配、通过使用喷墨、或通过喷涂以液体形式沉积密封件材料。沉积可以包括在套管130处或周围沉积一个或多个液体密封件材料的液滴，或者其可以包括在套管130周围沉积液体密封件材料的连续膜。

在液体密封件材料已经沉积之后，可以将其固化，以便制造密封件140。固化液体密封件材料可以包括施加热(例如，高达200℃的温度)和/或施加辐射(例如，UV光)。根据示例，该固化工艺可以花费长达大约10分钟、长达大约30分钟、或者长达大约1小时。

在固化工艺之后，密封件140是机械坚固的，并且它们可以显著地减少甚至消除可能施加到第二焊料接头160上的任何机械应力。这可以防止第二焊料接头160的电和/或机械故障。

如图4C中所示，引脚320可以插入到套管130中。引脚320和套管130可以例如被配置为形成压力配合连接。根据示例，在密封件140已经形成之后，引脚320插入到套管130中。

如图4D中所示，框架310可以布置在管芯载体110之上。根据示例，此时仅框架310的侧壁311布置在管芯载体之上，使得包封剂330可以被填充到由框架310形成的空腔中。如以上进一步所述，也有可能框架310不布置在管芯载体110的上侧111之上，而是布置在基板之上，其中，管芯载体110附接到基板，并且其中，管芯载体110完全地布置在由框架310形成的空腔内。

根据图4D中所示的示例，包封剂330可以包封密封件140。然而，这不是必须的情况。根据另一示例，包封剂330仅包封功率半导体芯片120，但是其不接触密封件140。根据另一示例，包封剂330仅部分地包封密封件140。根据又一示例，功率半导体器件300不包括包封剂330。

如图4E中所示，盖312可以布置在侧壁311之上，从而关闭由框架310形成的空腔。将盖312布置在侧壁311之上可以包括将引脚320插入到盖312中的孔中。然而，也有可能在盖312已经放置就位之后将引脚320插入到套管130中。根据示例，功率半导体器件300还可以包括布置在盖312之上的电路板。当盖312和/或电路板被钉接到引脚320时，密封件140可以有助于防止在第二焊料接头160中形成裂纹。

图4F示出了功率半导体器件300’的示例，其可以相同于功率半导体器件300，除了功率半导体器件300’包括基板340，其中，管芯载体110通过第三焊料接头350附接到基板340。此外，框架310布置在基板340之上，使得管芯载体110完全地布置在由框架310形成的空腔内。

可以例如在第一焊料接头150和第二焊料接头160已经形成之后形成第三焊料接头350。然而，当形成第三焊料接头350时，形成第一焊料接头150和第二焊料接头160的焊料材料可能再次液化。在这种情况下，密封件140可以有助于将套管130并且因此将引脚320保持在正确位置和取向。为了这样做，密封件140的材料可以具有高于第三焊料接头350的焊接温度的温度稳定性。例如，密封件140在大约300℃或更高的温度下可以是稳定的。

图5是用于制造功率半导体器件的方法500的流程图。方法500可以例如用于制造功率半导体器件100、300和300’。

方法500包括：在501处，提供管芯载体的动作；在502处，将功率半导体芯片焊接到管芯载体上，从而形成第一焊料接头的动作；在503处，将用于引脚的套管焊接到管芯载体上，从而形成第二焊料接头的动作；以及在504处，用密封件将套管机械地附接到管芯载体的动作，该密封件布置在套管的下端处，其中，该下端面对管芯载体，并且其中，该密封件不覆盖功率半导体芯片。

根据方法500的示例，可以在第一焊料接头和第二焊料接头已经形成之后提供密封件。此外，机械地附接套管的动作还可以包括在套管的下端周围分配密封件，随后例如通过将密封件加热到200℃或更低的温度或者通过施加UV光来固化密封件。方法500还可以包括将管芯载体焊接到基板，从而形成第三焊料接头的动作。

示例

下面，使用具体示例进一步描述功率半导体器件和用于制造功率半导体器件的方法。

示例1是一种功率半导体器件，其包括：管芯载体，功率半导体芯片，功率半导体芯片通过第一焊料接头耦合到管芯载体，用于引脚的套管，套管通过第二焊料接头耦合到管芯载体，以及密封件，密封件将套管机械地附接到管芯载体，密封件布置在套管的下端处，其中，下端面对管芯载体，并且其中，密封件不覆盖功率半导体芯片。

示例2是根据示例1的功率半导体器件，其中，密封件覆盖第二焊料接头。

示例3是根据示例1或示例2的功率半导体器件，其中，密封件包括聚合物。

示例4是根据前述示例之一的功率半导体器件，其中，密封件不接触功率半导体芯片。

示例5是根据前述示例之一的功率半导体器件，还包括：包封剂，包封剂包封功率半导体芯片，其中，包封剂具有与密封件不同的材料成分。

示例6是根据示例5的功率半导体器件，其中，密封件具有比包封剂高的拉伸强度。

示例7是根据前述示例之一的功率半导体器件，其中，管芯载体是DAB、DCB或AMB。

示例8是根据示例7的功率半导体器件，其中，套管布置在管芯载体的上导电层上，并且其中，密封件至少部分地布置在上导电层上。

示例9是根据前述示例之一的功率半导体器件，还包括：基板，其中，管芯载体通过第三焊料接头附接到基板。

示例10是根据前述示例之一的功率半导体器件，还包括：塑料框架，其中，功率半导体芯片布置在由塑料框架形成的空腔内，并且其中，引脚被配置为延伸出塑料框架。

示例11是一种用于制造功率半导体器件的方法，该方法包括：提供管芯载体，将功率半导体芯片焊接到管芯载体上，从而形成第一焊料接头，将用于引脚的套管焊接到管芯载体上，从而形成第二焊料接头，以及用密封件将套管机械地附接到管芯载体，密封件布置在套管的下端处，其中，下端面对管芯载体，其中，密封件不覆盖功率半导体芯片。

示例12是根据示例11的方法，其中，在已经形成第一焊料接头和第二焊料接头之后提供密封件。

示例13是根据示例11或示例12的方法，其中，机械地附接套管包括：在套管的下端周围分配密封件，以及固化密封件。

示例14是根据示例13的方法，其中，固化包括将密封件加热到200℃或更低的温度，或者其中，固化包括施加UV光。

示例15是根据示例11至14之一的方法，还包括：将管芯载体焊接到基板，从而形成第三焊料接头。

示例16是一种装置，其包括用于执行根据示例11到15之一所述的方法的模块。

虽然已经关于一个或多个实施方式示出和描述了本公开，但是在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以对所示的示例进行变更和/或修改。特别地，关于由上述部件或结构(组件、器件、电路、系统等)执行的各种功能，除非另外指出，否则用于描述这些部件的术语(包括对“模块”的引用)旨在对应于执行所述部件的指定功能的任何部件或结构(例如，功能上等同)，即使结构上不等同于执行本公开的本文所示的示例性实施方式中的功能的所公开的结构。