端子元件或汇流条以及包括端子元件或汇流条的功率半导体模块装置

技术领域

本公开涉及用于功率半导体模块装置的端子元件或汇流条，并且涉及包括端子元件或汇流条的半导体模块装置。

背景技术

功率半导体模块装置通常包括布置在外壳中的至少一个半导体衬底。包括多个可控半导体元件(例如，半桥配置中的两个IGBT)的半导体装置布置在至少一个衬底中的每一个衬底上。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和沉积在衬底层的第二侧上的第二金属化层。可控半导体元件例如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。

通常提供允许从外壳的外部电接触半导体元件的导电端子元件。例如，这种导电端子元件可以包括简单的端子元件以及汇流条。端子元件被配置为向衬底及其上安装的组件提供控制信号，并且汇流条被配置为向功率半导体模块装置提供电源电压。因此，端子元件和汇流条需要能够传导电流。为了在衬底与端子元件或汇流条之间形成稳定的机械和电连接，通常将端子元件或汇流条焊接或熔接到衬底上。更进一步，端子元件和汇流条常常需要弯折至少一次，例如，以便提供焊接表面或使端子元件和汇流条适配到功率半导体模块装置的设计中。因此，可能需要端子元件或汇流条来满足进一步的要求。

存在对满足所有不同要求的端子元件或汇流条以及包括这种端子元件或汇流条的功率半导体模块装置的需求。

发明内容

用于功率半导体模块装置的端子元件或汇流条包括被配置为布置在功率半导体模块装置的外壳的内部的第一端、被配置为布置在功率半导体模块装置的外壳的外部的第二端以及沿端子元件或汇流条的长度相继布置在第一端和第二端之间的至少第一部分和第二部分，其中第一部分包括第一材料，第二部分包括第二材料，并且第一材料不同于第二材料；或者第一部分具有第一厚度，第二部分具有第二厚度，并且第一厚度不同于第二厚度；或两者。

一种功率半导体模块装置，包括外壳、布置在外壳内部的衬底和至少一个端子元件或汇流条，其中至少一个端子元件或汇流条中的每一个的第一端布置在外壳的内部并且电且机械地耦合到衬底，并且至少一个端子元件或汇流条中的每一个的第二端延伸到外壳的外部。

用于形成端子元件或汇流条的方法包括将第一金属片接合到第二金属片，从而形成包括不同部分的大金属片，以及从包括不同部分的大金属片冲压出端子元件或汇流条，其中第一金属片包括第一材料，第二金属片包括第二材料，并且第一材料不同于第二材料；或者第一金属片具有第一厚度，第二金属片具有第二厚度，并且第一厚度不同于第二厚度；或两者，并且得到的端子元件或汇流条包括第一金属片的至少一个部分以及第二金属片的至少一个部分。

一种用于形成端子元件或汇流条的方法，包括提供包括第一材料的金属片，通过铣削工艺部分地减小金属片的厚度，以及从金属片冲压出端子元件或汇流条，其中得到的端子元件或汇流条至少包括具有第一厚度的第一部分和具有第二厚度的第二部分。

参考下面的附图和描述可以更好地理解本发明。附图中的部件不一定成比例，而是强调说明本发明的原理。此外，在附图中，相同的附图标记在不同视图中表示对应的部分。

附图说明

图1是功率半导体模块装置的截面图。

图2是另一功率半导体模块装置的三维视图。

图3是根据一个示例的端子元件的三维视图。

图4是根据一个示例的汇流条的三维视图。

图5示意性地示出了根据另一示例的端子元件或汇流条的侧视图。

图6示意性地示出了根据另一示例的端子元件或汇流条的侧视图。

图7示意性地示出了根据另一示例的端子元件或汇流条的侧视图。

图8示意性地示出了根据另一示例的端子元件或汇流条的侧视图。

图9示意性地示出了根据另一示例的端子元件或汇流条的侧视图。

具体实施方式

在下面的详细描述中，对附图进行参考。附图示出了可以在其中实施本发明的具体示例。应当理解，除非另外特别指出，否则关于各个示例所描述的特征和原则可以彼此组合。在说明书中以及在权利要求书中，将某些元件作指定为“第一元件”、“第二元件”、“第三元件”等不应被理解为是枚举。相反，这种指定仅用于区分不同的“元件”。即，例如，“第三元件”的存在不要求“第一元件”和“第二元件”的存在。如本文中所述的电线或电连接可以是单个导电元件，或包括串联和/或并联连接的至少两个单独的导电元件。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)。如本文中所述的半导体主体可以由(掺杂的)半导体材料制成并且可以是半导体芯片或包括在半导体芯片中。半导体主体具有电连接焊盘并且包括具有电极的至少一个半导体元件。

参考图1，示意性地示出了功率半导体模块装置100的截面图。功率半导体模块装置100包括外壳7和衬底10。衬底10包括电介质绝缘层11、附接到电介质绝缘层11的(结构化)第一金属化层111、以及附接到电介质绝缘层11的(结构化)第二金属化层112。电介质绝缘层11设置在第一金属化层111与第二金属化层112之间。

第一金属化层111和第二金属化层112中的每一个可以由以下材料中的一种构成或者包括以下材料中的一种：铜；铜合金；铝；铝合金；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。衬底10可以是陶瓷衬底，即，其中的电介质绝缘层11为陶瓷(例如，薄陶瓷层)的衬底。陶瓷可以由以下材料中的一种构成或者包括以下材料中的一种：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种构成或者包括以下材料中的一种：Al

衬底10布置在外壳7中。在图1所示的示例中，衬底10布置在基板12上，基板12形成外壳7的接地表面，而外壳7本身仅包括侧壁和盖。然而，这仅是示例。还可以的是，外壳7还包括接地表面，并且衬底10和基板12布置在外壳7内部。在一些功率半导体模块装置100中，一个以上的衬底10布置在单个基板12上或外壳7的接地表面上。根据另一示例，基板12被省略并且衬底10本身形成外壳7的接地表面。

一个或多个半导体主体20可以布置在至少一个衬底10上。布置在至少一个衬底10上的半导体主体20中的每一个可以包括二极管、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/或任何其他适当的半导体元件。

一个或多个半导体主体20可以在衬底10上形成半导体装置。在图1中，仅示例性地示出了两个半导体主体20。图1中的衬底10的第二金属化层112是连续层。在图1所示的示例中，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，而是在层的不同部分之间包括凹槽。在图1中示意性地示出了这种凹槽。该示例中的第一金属化层111包括三个不同的部分。然而，这仅是示例。任何其他数量的部分是可能的。不同的半导体主体20可以安装到第一金属化层111的相同或不同的部分。第一金属化层111的不同部分可以没有电连接，或者可以使用电连接3(例如，键合线)电连接到一个或多个其他部分。例如，电连接3也可以包括连接板或导电轨，仅举几例。一个或多个半导体主体20可以通过导电连接层30电且机械地连接到衬底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金属粉末(例如，烧结银粉末)层。

根据其他示例，第二金属化层112也可以是结构化层。还可以完全省略第二金属化层112。例如，第一金属化层111通常也可以是连续层。

图1中所示的功率半导体模块装置100还包括端子元件4。在图1中仅示意性地示出了一个端子元件4。然而，功率半导体模块装置100通常可以包括多个端子元件4。端子元件4电连接到第一金属化层111并且提供外壳7的内部和外部之间的电连接。端子元件4可以通过第一端41电连接到第一金属化层111，而端子元件4中的每一个的第二端42突出到外壳7之外。端子元件4可以在其相应的第二端42处从外部电接触。端子元件4的第一部分可以在垂直方向y上延伸穿过外壳7的内部。垂直方向y是垂直于衬底10的顶表面的方向，其中衬底10的顶表面是其上安装有至少一个半导体主体20的表面。然而，图1中所示的端子元件4仅是示例。端子元件4可以以任何其他方式实施并且可以布置在外壳7内的任何地方。例如，一个或多个端子元件4可以靠近或邻近外壳7的侧壁布置。端子元件4也可以穿过外壳7的侧壁而不是穿过盖突出。端子元件4的第一端41可以通过例如导电连接层(图1中未明确图示)电且机械地连接到衬底10。例如，这种导电连接层可以是焊料层、导电粘合剂层或烧结金属粉末(例如，烧结银(Ag)粉末)层。端子元件4的第一端41也可以经由例如一个或多个电连接3电耦合到衬底10。例如，端子元件4的第二端42可以连接到例如印刷电路板(图1中未图示)。

功率半导体模块装置100还包括一个或多个汇流条6。图1中仅示例性地示出了一个汇流条6。然而，功率半导体模块装置100常常包括两个或更多个汇流条6。端子元件4通常被配置为将控制信号传导到衬底10和从衬底10传导控制信号。控制信号一般包括15V或更低的电信号并且被配置为控制不同半导体主体20的功能。然而，也有必要向功率半导体模块装置100提供电源电压。例如，当提供电源电压时，功率半导体模块装置100从截止状态(非工作状态)切换到导通状态(工作状态)。电源电压通常显著较高，在100V以上、300V以上、600V以上且甚至高达几千伏。例如，电源电压可以在500V与10kV之间，或者在600V与6.5kV之间。至少一个汇流条6被配置为提供这样的电源电压。

端子元件4通常包括简单的引脚，如图2示例性地示出的。另一方面，为了能够提供显著较高的电源电压以及较高的电流，汇流条6与端子元件4相比具有较大的截面面积。根据一个示例，至少一个汇流条6中的每一个包括金属片。这将在下面更详细地描述。

功率半导体模块装置100还可以包括密封剂5。例如，密封剂5可以由硅胶构成或包括硅胶，或者可以是刚性模制物。密封剂5可以至少部分地填充外壳7的内部，从而覆盖布置在衬底10上的组件和电连接。端子元件4和至少一个汇流条6可以部分地嵌入密封剂5中。然而，至少它们的第二端42、62没有被密封剂5覆盖并且从密封剂5穿过外壳7突出到外壳7的外部。密封剂5被配置为保护功率半导体模块100的组件和电连接(特别是在外壳7内部的衬底10上布置的组件)免受某些环境条件和机械损坏的影响。

如上已经描述的，必须提供相当小的电压(和电流)的端子元件4通常具有相当小的截面面积。即，端子元件4在其第一端41和其第二端42之间的长度l4通常显著大于其最大厚度(或宽度)t4。例如，端子元件4可以具有圆形、椭圆形、方形或矩形的截面面积。即，端子元件4例如可以是简单的引脚。端子元件4的最大厚度t4可以由在垂直于长度l4(例如，垂直于垂直方向y)的方向上的其直径、其宽度或最大延伸来定义。例如，在圆形端子元件4中，最大厚度t4由端子元件4的直径定义，而在具有矩形截面的端子元件4中，最大厚度t4由通常比窄边长的纵向边的长度定义。根据一个示例，至少一个端子元件4中的每一个在其第一端41与第二端42之间具有长度l4，该长度l4是其最大厚度t4的至少十倍、至少二十倍或至少三十倍。

然而，由于它们相当小的截面面积，端子元件4可能不能承受高得多的电源电压。因此，可以通过汇流条6提供电源电压。例如，功率半导体模块装置100可以包括至少两个汇流条6。一个汇流条6可以被配置为耦合到正电位(例如，DC+)，并且另一汇流条6被配置为耦合到负电位(例如，DC-)。为了能够承受相当大的电源电压，每个汇流条6可以具有比汇流条6的厚度t6(参见例如图1和图2)大(例如，至少大10倍，至少大30倍，或者甚至至少大50倍)的长度l6和宽度w6。例如，汇流条6的长度l6可以小于汇流条6的宽度w6的十倍或小于五倍。宽度w6甚至可能大于汇流条6的长度l6，如图2示意性示出的。类似于上面关于端子元件4所描述的内容，宽度w6表示汇流条6在垂直于其长度l6的方向上的最大厚度或最大延伸。通过显著增加宽度w6，汇流条6的横截面积与端子元件4的横截面积相比较大(例如，至少5倍，至少10倍或至少30倍)。至少两个汇流条6中的每一个包括电且机械地耦合到衬底10的第一端61，以及延伸到外壳7的外部的第二端62。汇流条6的厚度t6可以在0.5与1.5mm(毫米)之间，例如1mm。图1和图2所示的汇流条6在它们的第一端61和第二端62之间是直的。然而，汇流条6也可能沿其长度l6弯折至少一次。

可能需要端子元件4或汇流条6来满足多个不同的要求。例如，可能需要端子元件4以及尤其是汇流条6来传导相当高的电流。如上已经所描述的，可以增加端子元件4或汇流条6的横截面积以便能够传导更高的电流。然而，端子元件4以及尤其是汇流条6的宽度可能受到功率半导体模块装置的尺寸的限制。如果增加端子元件4或汇流条6的厚度t4、t6，则将端子元件4或汇流条6弯折成期望的形式可能是困难的或甚至是不可能的。端子元件或汇流条6的较大的厚度t4、t6可能导致较大的弯折半径，这可能是不希望的缺点。端子元件4或汇流条6的较大的厚度t4、t6也可能对端子元件4或汇流条6的可焊性产生负面影响。因此，通过满足一项要求，这可能会对一项或多项其他要求产生负面影响。

因此，根据一个示例，端子元件4或汇流条6包括沿端子元件4或汇流条6的长度l4、l6连续布置在第一端41、61与第二端42、62之间的至少第一部分410、610和第二部分420、620。这对于端子元件4在图3中示意性地示出，并且对于汇流条6在图4中示意性地示出。不同的部分可以包括不同的特性。根据第一示例，第一部分410、610包括第一材料并且第二部分420、620包括第二材料，其中第一材料不同于第二材料。不同材料中的每一种可以满足不同的要求。例如，第一部分410、610可以布置成邻近端子元件4或汇流条6的第二端42、62，并且第二部分420、620可以布置成邻近端子元件4或汇流条6的第一端41、61。第一部分可以包括比第二部分420、620的材料硬的材料。以这种方式，第二部分420、620可以容易地弯折以便形成焊接部分。另一方面，第一部分410、610可以比第二部分420、620硬并因此比第二部分420、620稳定。这可以增加端子元件4或汇流条6的耐用性和可靠性。还可能的是，包括第二材料的第二部分420、620包括大于包括第一材料的第一部分410、610的热导率的热导率。以这种方式，热量可以从衬底10传导开到达第二部分420、620。然而，可能不希望热量通过整个端子元件4或汇流条6传导到外壳7的外部。这可以通过具有较低热导率的第一部分410、610来防止。图5还示意性地示出了包括第一部分410和第二部分420的端子元件4，该第一部分410和第二部分420包括不同的材料。第一材料由短划线区域410指示，并且第二材料由点线区域420指示。这可以类似地应用于汇流条6。

附加地或替代地，第一部分410可以具有第一厚度d410，并且第二部分420可以具有第二厚度d420，其中第一厚度d410不同于第二厚度d420。这在图6中示意性地示出，其中第一厚度d410大于第二厚度d420。第二部分420可以布置成邻近端子元件4(或汇流条6)的第一端41。较小的厚度d420可以允许更容易地弯折第一端41以便形成焊接区域。另一方面，第一部分410可以具有较大的厚度d410以便允许传导较高的电流。图6的示例中的第一部分410和第二部分420这两者包括相同的材料，如由短划线区域指示的。根据一个示例，第一厚度d410可以在1mm与1.5mm之间，并且第二厚度d420可以在0.5mm与1mm之间。

现在参考图7，第一部分410包括与第二部分420不同的材料和不同的厚度d410也是可能的。即，上面通过图5和图6描述的示例可以相互组合。虽然在图7中示例性地示出了端子元件4，但这同样适用于汇流条6。

现在参考图8，还可能的是，端子元件4或汇流条6包括三个或更多的部分410、420、430，它们相继布置在第一端41和第二端42之间。附加部分可以包括与第一部分410和第二部分420不同的材料。然而，附加部分包括第一材料或第二材料也是可能的。附加部分430可以包括不同于第一厚度d410和第二厚度d420这两者的厚度d430。然而，附加部分的厚度d430等于第一厚度d410和/或第二厚度d420也是可能的。然而，附加部分430与其相邻部分410、420中的每一个的不同之处在于其材料或其厚度d430。

如上所述的端子元件4和汇流条6可以根据客户的需要专门定制。两个或更多个部分410、420、430可以以任何适当的方式组合。从端子元件4或汇流条6的第一端41、61流到端子元件4或汇流条6的第二端42、62或反之亦然的电流流过包括不同的材料和/或不同的厚度d410、d420的至少两个不同的部分410、610、420、620。

第一材料可以包括铜、铝、钛和青铜中的至少一种，并且第二材料可以包括铜、铝、钛和青铜中的至少一种。根据一个示例，第一材料包括第一金属，例如铜，而第二材料包括不同的金属，例如铝。然而，根据另一示例，还可能的是，第一材料包括第一金属(例如，铜)的合金，并且第二材料包括相同金属的合金，其中第一材料中第一金属的量不同于第二材料中第一金属的量。例如，通过提供相同金属的不同合金，还可能形成具有不同特性(例如，硬度或热导率)的部分。

在上述示例中，每个部分410、420、430包括由相应材料形成的单层。然而，也可能通过提供包括不同材料的不同层来实现不同部分的不同特性。这在图9中示意性地示出。在该示例中，第二部分420包括包含第二材料的单层。另一方面，第一部分410包括包含第一材料的第一层和包含第三材料的第二层。第三材料可以与第二部分420的第二材料相同或不同。附加层可以增加部分的厚度d410，并且可以提供与同一部分的其他层的特性不同的另外的特性。以这种方式，可以改变相关部分的整体特性。在图9所示的示例中，第一部分410的附加层不与第二部分420重叠。然而，这仅是示例。一个部分的一层或多层与相邻部分的一层或多层重叠通常是可能的。

不同的部分可以通过任何适当的方法(例如，激光焊接)彼此连接。根据一个示例，在第一步骤中，将两个或更多个金属片彼此连接，从而形成包括不同部分的大金属片。金属片可以包括不同的材料和/或不同的厚度。根据另一示例，可以代替将两个或更多个金属片彼此连接执行铣削工艺，或可以除将两个或更多个金属片彼此连接之外还执行铣削工艺。通过铣削工艺，金属片的一个或多个部分的厚度可以减小到期望的厚度。在随后的步骤中，端子元件6或汇流条6可以通过冲压工艺形成。即，端子元件4或汇流条6的期望形状可以由包括不同部分的大金属片冲压而成。得到的端子元件4或汇流条6包括第一金属片的至少一个部分和第二金属片的至少一个部分。如果需要，可以随后将端子元件4或汇流条6弯折成期望的形状。

根据第一示例，用于形成端子元件4或汇流条6的方法包括将第一金属片接合到第二金属片，从而形成包括不同部分的大金属片，以及从包括不同部分的大金属片冲压出端子元件4或汇流条6，其中第一金属片包括第一材料，第二金属片包括第二材料，并且第一材料不同于第二材料；或者第一金属片具有第一厚度d410，第二金属片具有第二厚度d420，并且第一厚度d410不同于第二厚度d420；或两者，并且得到的端子元件4或汇流条6包括第一金属片的至少一个部分以及第二金属片2021P04724 CN的至少一个部分。

该方法还可以包括将得到的端子元件4或汇流条6弯折成期望的形状。该方法还可以包括：在从包括不同部分的大金属片冲压出端子元件4或汇流条6之前，通过铣削工艺减小至少一个部分的厚度。

根据第二示例，用于形成端子元件4或汇流条6的方法包括提供包含第一材料的金属片，通过铣削工艺部分地减小金属片的厚度，以及从金属片冲压出端子元件4或汇流条6，其中得到的端子元件4或汇流条6至少包括具有第一厚度d410的第一部分410和具有第二厚度d420的第二部分420。该方法还可以包括将得到的端子元件4或汇流条6弯折成期望的形状。