半导体装置及其制造方法

技术领域

本公开涉及半导体装置及其制造方法。

背景技术

功率半导体模块装置常常包括布置在壳体中的至少一个半导体衬底。包括多个可控半导体元件(例如，半桥构造中的两个IGBT)的半导体装置布置在至少一个衬底中的每个上。每个衬底通常包括衬底层(例如，陶瓷层)、沉积在衬底层的第一侧上的第一金属化层、以及沉积在衬底层的第二侧上的第二金属化层。例如，可控半导体元件安装在第一金属化层上。第二金属化层可以可选地附接到基板。通常采用焊接或烧结技术将可控半导体器件安装到半导体衬底上。此外，可控半导体器件的顶侧可以通过键合线电接触。键合线可以用第二端部电耦合和机械耦合到可控半导体元件的顶侧，并且可以用第一端部电耦合和机械耦合到半导体衬底。当使用半导体装置时，电流流过键合线、衬底的金属化层、和可控半导体元件。可控半导体元件常常被反复地导通和关断。这导致不同部件的加热和随后的冷却。不同的部件常常包括具有不同膨胀系数的不同材料。因此，部件可能暴露于应力或张力，该应力或张力可能对连接的稳定性造成负面影响，并因此对半导体装置的性能和整体寿命造成负面影响。

需要改善了键合线与可控半导体元件之间的连接的可靠性从而增加半导体装置的寿命的半导体装置。

发明内容

半导体装置包括可控半导体元件以及被布置为在第一水平方向上彼此平行的多个键合线，该可控半导体元件包括有源区。有源区在第一水平方向上具有第一长度，并且在垂直于第一水平方向的第二水平方向上具有第一宽度。多个键合线中的每个通过第一数量的键合连接电耦合和机械耦合到可控半导体元件，其中，第一数量的键合连接中的每个被布置为在垂直于第一水平方向和第二水平方向的垂直方向上处于有源区上方。多个键合线中的每个的第一键合连接被布置为在第一水平方向上与有源区的第一边缘相距第一距离，其中，第一距离小于第一长度除以键合连接的第一数量的两倍，并且其中，多个键合线中的每个的第一键合连接是被布置为最靠近第一边缘的键合连接，并且多个键合线中的每个的第二键合连接被布置为在第一水平方向上与有源区的第二边缘相距第二距离，其中，第二边缘被布置为与第一边缘相对，并且其中，第二距离小于第一长度除以键合连接的第一数量的两倍，并且其中，多个键合线中的每个的第二键合连接是被布置为最靠近第二边缘的键合连接。

用于制造半导体装置的方法包括：将多个键合线安装到可控半导体元件上，该可控半导体元件包括有源区。将多个键合线安装到可控半导体元件上包括：对于多个键合线中的每个，在键合线和可控半导体元件之间形成第一数量的键合连接，从而将键合线电耦合和机械耦合到可控半导体元件。多个键合线被布置为在第一水平方向上彼此平行。有源区在第一水平方向上具有第一长度，并且在垂直于第一水平方向的第二水平方向上具有第一宽度。第一数量的键合连接中的每个被布置为在垂直于第一水平方向和第二水平方向的垂直方向上处于有源区上方。多个键合线中的每个的第一键合连接上被布置为在第一水平方向与有源区的第一边缘相距第一距离，其中，第一距离小于第一长度除以键合连接的第一数量的两倍，并且其中，多个键合线中的每个的第一键合连接是被布置为最靠近第一边缘的键合连接，并且多个键合线中的每个的第二键合连接被布置为在第一水平方向上与有源区的第二边缘相距第二距离，其中，第二边缘被布置为与第一边缘相对，并且其中，第二距离小于第一长度除以键合连接的第一数量的两倍，并且其中，多个键合线中的每个的第二键合连接是被布置为最靠近第二边缘的键合连接。

参考以下附图和描述可以更好地理解本发明。附图中的部件不必成比例，而是将重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，贯穿不同的视图，相似的附图标记指示对应的部分。

附图说明

图1是常规功率半导体模块装置的截面图。

图2是半导体装置的截面图。

图3是半导体装置的俯视图。

图4是根据一个示例的半导体装置的俯视图。

图5是根据另一个示例的半导体装置的俯视图。

图6是根据一个示例的半导体装置的截面图。

图7是根据另一个示例的半导体装置的截面图。

具体实施方式

在下面的具体实施方式中，参考了附图。附图示出了可以实施本发明的具体示例。应当理解的是，除非另外特别指出，否则关于各种示例描述的特征和原理可以彼此组合。在说明书以及权利要求中，某些元件被指定为“第一元件”、“第二元件”、“第三元件”等不被理解为列举。相反，这样的指定仅用于称呼不同的“元件”。即，例如，“第三元件”的存在不需要“第一元件”和“第二元件”的存在。电线和电连接可以包括金属和/或半导体材料，并且可以是永久导电的(即，不可开关的)。如本文所述的半导体主体或可控半导体元件可以由(掺杂的)半导体材料制成，并且可以是半导体芯片或被包括在半导体芯片中。半导体主体或可控半导体元件具有电连接焊盘并且包括电极。

参考图1，示意性地示出了功率半导体模块装置的截面图。功率半导体模块装置包括半导体衬底10。半导体衬底10包括电介质绝缘层11、附接到电介质绝缘层11的第一(结构化的)金属化层111、和附接到电介质绝缘层11的第二(结构化的)金属化层112。电介质绝缘层11设置在第一和第二金属化层111、112之间。然而，半导体衬底10也可以仅包括第一金属化层111，而省略第二金属化层112。

第一和第二金属化层111、112中的每个可以由以下材料中的一个组成或包括以下材料中的一个：铜；铜合金；铝；铝合金；或在功率半导体模块装置的操作期间保持固态的任何其他金属或合金。半导体衬底10可以是陶瓷衬底，即，其中电介质绝缘层11是陶瓷(例如，薄陶瓷层)的衬底。陶瓷可以由以下材料中的一个组成或包括以下材料中的一个：氧化铝；氮化铝；氧化锆；氮化硅；氮化硼；或任何其他电介质陶瓷。例如，电介质绝缘层11可以由以下材料中的一个组成或包括以下材料中的一个：Al

半导体衬底10布置在壳体5中。在图1中所示的装置中，半导体衬底10形成壳体5的接地表面，而壳体5本身仅包括侧壁。然而，这仅是示例。壳体5还可以包括接地表面和/或顶盖或盖，并且半导体衬底10布置在壳体5内部。

一个或多个可控半导体元件(半导体主体)20可以布置在半导体衬底10上。布置在至少一个半导体衬底10上的可控半导体元件20中的每个可以包括IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)、HEMT(高电子迁移率晶体管)、和/或任何其他合适的半导体元件。一个或多个可控半导体元件20可以在半导体衬底10上形成半导体装置。在图1中，仅示例性地示出了两个可控半导体元件20。

图1中的半导体衬底10的第二金属化层112是连续层。在图1中所示的装置中，第一金属化层111是结构化层。“结构化层”是指第一金属化层111不是连续层，而在层的不同区段之间包括凹陷。在图1中示意性地示出了这样的凹陷。在该装置中的第一金属化层111包括三个不同的区段。不同的可控半导体元件20可以安装在第一金属化层111的相同区段上或安装到第一金属化层111的不同区段。第一金属化层的不同区段可以不具有电连接，或者可以使用第一电连接3(例如，键合线或键合带)电连接到一个或多个其他区段。仅举几个例子，第一电连接3也可以包括连接板或导电轨。一个或多个可控半导体元件20可以通过导电连接层30电连接和机械连接到半导体衬底10。例如，这样的导电连接层30可以是焊料层、导电粘合剂层、或烧结的金属粉末(例如，烧结的银粉末)层。

图1中所示的功率半导体模块装置还包括端子元件4。端子元件4电连接到第一金属化层111，并在半导体衬底10和壳体5的外部之间提供电连接。端子元件4可以用第一端部电连接到第一金属化层111，而端子元件4的第二端部突出到壳体5之外。可以在其第二端部处从外部电接触端子元件4。

例如，端子元件4的第二端部可以机械连接和电连接到电子板7，例如具有电介质绝缘层的印刷电路板(PCB)。这样的电子板7可以形成壳体的顶盖并且可以包括通孔。端子元件4可以插入到电子板7的通孔中。

壳体5可以至少部分地填充有密封树脂8。例如，密封树脂8可以包括(填充的)环氧树脂、硅凝胶或其他树脂材料。密封树脂8被配置为密封功率半导体模块的部件以提供对器件的绝缘和保护，所述部件例如半导体衬底10，尤其是由第一金属化层111、可控半导体元件20、第一电连接3和端子元件4形成的金属图案。例如，密封树脂8可以保护部件免受某些环境状况和机械损伤。密封树脂8可以至少部分地填充壳体5的内部，从而覆盖布置在半导体衬底10上的部件和电连接。

功率半导体模块还可以包括散热器6。半导体衬底10可以经由连接层(未示出)连接到散热器6。例如，这样的连接层可以是焊料层、粘合剂层、或烧结的金属粉末(例如，烧结的银粉末)层。

图1示意性地示出了没有基板的功率半导体装置。然而，半导体衬底10也可以安装在基板上。例如，这样的基板可以布置在散热器6上，使得该基板布置在散热器6与半导体衬底10之间。在一些功率半导体模块装置中，在单个基板上布置多于一个的半导体衬底。然后，例如，基板(而不是半导体衬底10)可以形成壳体5的接地表面。可控半导体元件20可以布置在多个半导体衬底10中的一个或多个上。

现在参考图2，更详细地示出了布置在半导体衬底10上的可控半导体元件20。在图2中未明确示出电介质绝缘层11以及第一和第二金属化层111、112。如以上关于图1所描述的，例如，不仅可以通过导电连接层30，而且还可以通过至少一个第一电连接3(例如键合线)将可控半导体元件20电耦合和机械耦合到半导体衬底10。第一电连接3可以用第二端部电耦合和机械耦合到可控半导体元件20的顶侧，并且用第一端部耦合到半导体衬底10(例如，第一金属化层111)。可控半导体元件20的顶侧是可控半导体元件20的背离半导体衬底10的一侧。通常，第一电连接3键合到可控半导体元件20。在许多情况下，在第一电连接3和可控半导体元件20之间形成不止一个键合连接。常常，可以在第一电连接3和可控半导体元件20之间形成两个键合连接32、34。如图2中示意性地示出的，第一电连接3(例如，键合线)可以在第一键合连接32和第二键合连接34之间以弧形或弓形延伸。在第一电连接3和可控半导体元件20之间形成两个键合连接32、34通过使键合线3的自加热最小化增加了半导体装置的可靠性。

更进一步地，通常使用多于一个的第一电连接3来与可控半导体元件20电接触。图3的俯视图中示意性地示出了这样的具有多个键合线3

在图3的示例中，键合线3

多个键合线3

现在参考图4，示意性地示出了根据一个示例的半导体装置。在该示例中，与以上关于图3已经描述的内容相反，第一键合连接32和第二键合连接34更靠近有源区200的相应边缘移动。即，该示例中的第一键合连接32被布置为与有源区200的第一边缘相距距离d32

在图4的示例性半导体装置中，每个键合线3

第一键合连接32(最靠近第一边缘的键合连接)与第一边缘之间的距离d32可以被定义为d32

如果每个键合线3

在图4中所示的示例中，个体的键合线3

键合线3

每个键合线的第一端部321可以电耦合和机械耦合到其上安装有可控半导体元件20的半导体衬底10。第一端部321可以从每个键合线3

根据另一个示例，如图7中示意性示出的，第二端部341也可以进一步朝向半导体衬底10延伸，并且可以机械耦合和电耦合到半导体衬底10。即，第二端部341的长度l341可以更进一步延伸。这还可以增加冷却效果并减少键合线3的温度。例如，第二端部341可以机械耦合和电耦合到第一金属化层111的与第一端部321不同的区段。以这种方式，第二端部341可以耦合到与第一端部321不同的电势。根据一个示例，键合线3

如关于图6和图7所描述的第二端部341的布置可以与如以上关于图4和图5所描述的第一和第二键合连接32、34的布置组合。