功率半导体器件和制造功率半导体器件的方法与流程

1.本发明涉及一种具有布置在壳体内部的功率半导体元件的功率半导体器件以及一种用于制造功率半导体器件的方法。


背景技术：

2.诸如mosfet的功率半导体元件布置在壳体中，典型地是塑料壳体，所述壳体具有在壳体外侧暴露的冷却表面，例如由铜制成，其中存在一系列不同的壳体设计，例如d2pak、dpak、to220等。这些元件部分被构造为可表面安装的元件，部分构造为可插入安装元件。它们典型地具有至少两个连接引脚，这些连接引脚从塑料壳体中向外引出并可以连接到布线衬底的连接端。
3.由于具有这种功率半导体元件的功率半导体器件在运行中会放出大量的热量，因此如何有效地散热是特别大的挑战。这些热量典型地通过布线衬底来散发，在所述布线衬底上布置了有壳体的功率半导体元件。为此，所述布线衬底可以具有例如热孔（通孔）。这种功率半导体器件从jp 2018-120991 a中已知。
4.de 11 2016 005 508 t5同样公开了经由通孔的散热，这些通孔可以完全或部分地填充焊料。根据一种实施方式，在通孔周围施加的阻焊剂可以防止焊料流入通孔中，其中在阻焊剂上放置有功率半导体元件。
5.在一些较新的应用中，例如在电动车辆中使用的充电设备情况下，损耗功率非常高，从而冷却尤为重要。在这种应用情况下，部分地由于电绝缘规定也不能使用热孔。


技术实现要素：

6.因此，本发明的任务是说明一种功率半导体器件，该功率半导体器件能够特别有效地消散由功率半导体元件输出的热量。此外，应当说明一种用于制造这种功率半导体器件的方法。
7.该任务通过独立权利要求的主题来解决。有利的实施方式和扩展是从属权利要求的主题。
8.根据本发明的一个方面，说明了一种功率半导体器件，其具有布置在壳体内的至少一个功率半导体元件，其中散热器暴露在所述壳体的第一表面上。所述壳体尤其是塑料壳体。所述散热器尤其由金属制成。所述壳体例如可以基本上具有长方体形状。
9.所述功率半导体器件还包括具有第一主表面和第二主表面的布线衬底。所述布线衬底尤其可以是pcb衬底，即印刷电路板。在这种情况下，所述功率半导体器件尤其是印刷电路板装置。具有增加的导热性的冷却区域布置在所述第二主表面上。例如，所述冷却区域由印刷电路板的布置在所述布线衬底的第二主表面上的铜层形成。
10.所述壳体布置在所述布线衬底上，使得所述散热器经由焊料层连接到所述冷却区域。布置在所述散热器与所述冷却区域之间的一定数量间隔保持器嵌入在所述焊料层中。有利地，所述间隔保持器尤其是由具有良好导电性和导热性的材料形成。
11.间隔保持器尤其可以是smd粘接点，即点状施加的smd粘合剂集合。smd粘合剂在此应理解为用于固定可表面安装器件（surface mount devices）的粘合剂。这种粘合剂，例如可以是基于环氧树脂的导电粘合剂，原则上是本领域技术人员已知的，因此在此不再详细解释。smd粘接点可以直接布置在冷却区域的材料上或者可以布置在施加到冷却区域上的阻焊条上。
12.所述功率半导体器件的优点在于，通过使用间隔保持器可以使壳体与布线衬底之间的距离更大，从而可以在壳体与布线衬底之间施加更厚的焊料层。由此剧烈增加了焊料的量，从而剧烈增加了布线衬底上具有良好导热性的材料的质量。该质量尤其是可以变成一倍半或甚至超过两倍。通过这种方式，热量特别有效地从功率半导体元件中散发出来并输出到环境中。
13.此外，与散热器热接触的大量导热性良好的材料代表了一种缓冲，以吸收功率半导体元件的短期功率峰值，所述短期功率峰值引发短期温度升高。
14.具有半导体元件的壳体布置在布线衬底的第二主表面上，使得所述散热器完全布置在所述冷却区域上并且经由焊料层与所述冷却区域连接。
15.附加地，还可以增大冷却区域的厚度。典型地，在标准印刷电路板技术的情况下，每层可使用最大70微米的铜，部分还高达105微米或高达201微米。该最大厚度可充分用于冷却区域，以最大化导热质量。
16.根据一种实施方式，形成所述冷却区域的材料，尤其是铜或铜合金，嵌入在由所述布线衬底的塑料材料制成的基体中，并且因此所述冷却区域的表面与所述布线衬底的剩余表面共面。替代地，所述冷却区域也可以位于所述布线衬底的表面上。
17.根据一种实施方式，布置在壳体中的功率半导体元件被构造为可插入式安装。在该实施方式中，所述功率半导体元件具有从所述壳体突出并且被设置为插入所述布线衬底中的通孔中的连接引脚。然后在那里焊接所述连接引脚。在该实施方式中，可以使用所述布线衬底的通孔（vias）在所述散热器与所述布线衬底的冷却区域之间引入大量焊料材料。根据一种实施方式，所述布线衬底因此在所述冷却区域中具有一定数量的通孔，通过这些通孔将所述焊料材料引入到所述散热器与所述布线衬底的冷却区域之间。对于这种布线衬底，在通孔之间施加间隔保持器，使得所述间隔保持器不覆盖这些通孔。
18.该实施方式具有的优点是可以使用tht（through hole technology，通孔技术）焊接工艺将大量焊料泵送到壳体下方。由此使得可以实现高厚度的焊料层，而这是在印刷焊料层的情况下难以实现的。
19.根据替代实施方式，布置在所述壳体中的功率半导体元件被构造为可表面安装的。在该实施方式中，连接引脚也从所述壳体伸出，但这些连接引脚是为了焊接到所述布线衬底上的接触连接表面上而不是为了插入通孔中而设置的。
20.在这个实施方式中，仍然可以设置通孔以便将焊料材料带到壳体下方。然而，替代地，具有功率半导体元件的壳体可以在借助于间隔保持器固定之后借助于焊线或焊线片连接到冷却区域。因此，在该实施方式中，焊料层不是通过压印或泵送而是通过插入焊线片而引入到所述壳体与所述冷却区域之间的空隙中。通过该实施方式也可以实现相当大厚度的焊料层并因此实现大的导热质量。
21.根据一种实施方式，所述散热器在所述第一表面上具有面积a并且所述冷却区域
在所述第二主表面上具有面积a，其中a＜a。尤其是，可以适用a《0.75a或者甚至a《0.5a。该实施方式的优点是通过大面积的冷却区域增加了导热材料的量。此外，由于大的冷却区域实现了特别好的散热，该冷却区域在侧面突出超过具有功率半导体元件的壳体。因此改善了向环境输出热量。
22.根据本发明的一个方面，说明了一种用于制造所描述的功率半导体器件的方法，该方法包括提供布置在壳体内的功率半导体元件，其中散热器暴露在所述壳体的第一表面上。此外，提供具有第一主表面和第二主表面的布线衬底，其中在所述第二主表面上布置有具有增加的导热性的冷却区域。
23.在所述冷却区域的安装区域中，将一定数量的间隔保持器施加到所述布线衬底上，并且在安装区域中将具有功率半导体元件的壳体放置在所述间隔保持器上。将焊料材料引入所述散热器与所述冷却区域之间的空隙中。
24.被设置用于容纳具有功率半导体元件的壳体的区域称为安装区域。因此，安装区域在形状和伸展上对应于要安装的壳体的第一表面。
25.可以使用通孔技术借助于布置在布线衬底中的通孔来引入焊料材料。替代地，也可以通过将焊线片引入散热器与冷却区域之间的空隙来完成。
26.例如，smd粘合剂的粘接点可以用作间隔保持器。
27.该方法具有允许将特别大量的焊料施加到冷却区域上的优点。因此，可以实现用标准印刷方法无法或难以实现的焊料层厚度。通过这种方式，特别大量的导热性良好的材料与散热器接触。
附图说明
28.下面基于示意图示例性地描述本发明的实施方式。
29.图1以横截面示意性地示出了根据本发明实施方式的功率半导体器件，以及图2以俯视图示意性地示出了根据图1的功率半导体器件。
具体实施方式
30.根据图1的功率半导体器件1具有功率半导体元件2、从塑料壳体4向外伸出的连接引脚24以及在壳体4的第一表面5上暴露的散热器6，功率半导体元件2在图1中仅示出塑料壳体4。功率半导体元件2还具有至少一个功率半导体芯片，例如mosfet，其与散热器6热连接并且必要时还电连接。经由连接引脚24并且必要时经由散热器6与功率半导体元件2进行电接触。
31.所示实施方式是可插入安装的功率半导体元件2。然而，替代地，它也可以是可表面安装的功率半导体元件。
32.功率半导体器件1还具有布线衬底10，在所示实施方式中，布线衬底10被构造为pcb衬底并且具有第一主表面12和与第一主表面12相对的第二主表面14。布线衬底10基本上具有由塑料制成的基体，在该基体中嵌入了用于连接引脚24的接触连接表面18、未示出的导体轨道和由铜制成的冷却区域16。冷却区域16暴露在布线衬底10的第二主表面14上并且被设置用于容纳功率半导体元件2并且用于与散热器6制造热接触（并且必要时还有电接触）。
33.布线衬底10具有一定数量的通孔25，26。在这种情况下，在接触连接表面18的区域中设置通孔25作为用于使连接引脚24穿过的电通孔。冷却区域16区域中的通孔26被设计为热通孔并且除其他外还用于散热。
34.在冷却区域16上和接触连接表面8上都施加了用于功率半导体元件2和布线衬底10的电连接和机械连接的焊料层20。功率半导体元件2，尤其是散热器6，经由焊料层20与冷却区域16导电连接并且导热连接。连接引脚24经由焊料层20与接触连接表面18导电连接且导热连接。
35.焊料层20具有高厚度d。因此焊料层20不像通常的情况那样被印刷到布线衬底10上。而是首先将具有功率半导体元件2的壳体4借助于间隔保持器28放置到冷却区域16上并固定在那里，间隔保持器28在所示实施方式中是smd粘接点。然后借助于通孔技术将壳体4或暴露在其第一表面5上的散热器6与散热区域16焊接。在这种情况下，用于焊料层20的焊料材料从第一主表面12通过通孔26引入到散热器6与布线衬底10之间的空隙中。同时，焊料层20也可以通过通孔25施加到接触连接表面18上。但是，由于焊料层20不必具有特别大的厚度，因此也可以在标准方法中印刷焊料层20。
36.在此控制焊料的量和将焊料带入所述空隙中的压力，使得焊料层20基本上填满散热器6与布线衬底10之间的整个空隙。通孔26同样可以用焊料材料填充，或者通孔26可以保持不被填充或用优选良好导热的其他材料填充。
37.图2以俯视图示出功率半导体器件1。在该视图中可以看出，冷却区域16具有比壳体4或图2中不可见的散热器6明显更大的表面伸展。在所示实施方式中，冷却区域16的面积a超过散热器6的暴露在壳体4的第一表面5上的面积a的两倍。
38.从图2中可以看出，冷却区域16因此在侧面显著地突出超过壳体4。在图2所示的实施方式中，冷却区域16在所有侧面都突出超过壳体4。
39.散热区域16的铜材料和焊料层20的焊料材料形成增加的热质量，其既可以缓冲由于功率峰值引起的短期温度升高，又由于其空间伸展大而可以实现良好的热耗散。