用于生产壳体的方法和设备与流程

1.本公开涉及一种用于生产壳体、特别是用于功率半导体模块装置的壳体的方法和设备。


背景技术：

2.功率半导体模块装置通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，半桥配置中的两个igbt)的半导体装置布置在所述至少一个衬底中的每一个上。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。可控半导体器件通常通过焊接或烧结技术安装到半导体衬底上。
3.需要一种方法和设备，其允许容易且成本有效地生产用于功率半导体模块装置的壳体。


技术实现要素：

4.一种用于形成用于功率半导体模块装置的壳体的设备包括模具。所述模具包括第一腔，第一腔包括多个第一开口和第二开口，第二开口耦连到流道系统，其中，流道系统被配置为能将模制材料通过第二开口注入第一腔。所述设备还包括：多个套筒或空心衬套，其中，所述多个套筒或空心衬套中的每一个的第一端分别布置在第一开口中的相应的一个中，所述多个套筒或空心衬套中的每一个的第二端延伸到模具的外部；加热元件，其被配置成能加热模具；和冷却元件，其被配置成能冷却所述多个套筒或空心衬套。
5.一种方法包括：将功率半导体模块装置布置在用于形成用于功率半导体模块装置的壳体的设备的第一腔中；将多个端子元件中的每一个分别布置在多个套筒或空心衬套中的相应的一个中，使得每个端子元件的第一端接触功率半导体模块装置且每个端子元件的第二端穿过相应的套筒或空心衬套突出并伸出模具；加热模制材料并将模制材料压入第一腔；和借助于冷却元件冷却所述多个套筒或空心衬套，其中，模制材料在与相应的第一端接触时在所述多个套筒或空心衬套的第一端附近硬化，从而密封第一腔的第二开口。
6.参考以下附图和描述可以更好地理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，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指代对应的部分。
附图说明
7.图1是功率半导体模块装置的剖视图。
8.图2是功率半导体模块装置的斜视图。
9.图3是根据一个示例的用于生产用于功率半导体模块装置的壳体的设备的剖视图。
10.图4是图3的用于生产用于功率半导体模块装置的壳体的设备在插入端子元件之后的剖视图。
11.图5是图4的用于生产用于功率半导体模块装置的壳体的设备在嵌入模制材料之后的剖视图。
12.图6a-6c示意性地示出了用于形成用于功率半导体模块装置的壳体的方法。
13.图7是模制到壳体中的功率半导体模块装置的剖视图。
14.图8是根据另一示例的用于生产用于功率半导体模块装置的壳体的设备的剖视图。
具体实施方式
15.在以下详细描述中，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，除非另外特别指出，否则参考各种示例所描述的特征和原理可以彼此组合。在说明书以及权利要求书中，将某些元件命名为“第一元件”、“第二元件”、“第三元件”等不应理解为列举。相反，此类名称仅用于指代不同的“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。如本文所述的电线或电连接可以是单个导电元件，或者包括串联和/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，不可切换的)。如本文所述的半导体本体可以由(掺杂的)半导体材料制成并且可以是半导体芯片或被包括在半导体芯片中。半导体本体具有电连接焊盘并且包括至少一个具有电极的半导体元件。
16.参考图1，示出了功率半导体模块装置100的剖视图。功率半导体模块装置100包括壳体7和半导体衬底10。半导体衬底10包括介电绝缘层11、附接到介电绝缘层11的(结构化)第一金属化层111和附接到介电绝缘层11的(结构化)第二金属化层112。介电绝缘层11设置在第一金属化层111和第二金属化层112之间。根据另一示例，也可以省略第二金属化层112。
17.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之一组成或包括以下材料之一：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它金属或合金。半导体衬底10可以是陶瓷衬底，即其中介电绝缘层11为陶瓷、例如薄陶瓷层的衬底。陶瓷可以由以下材料之一组成或包括以下材料之一：氧化铝；氮化铝；氧化锆；氮化硅；氮化硼；或任何其它介电陶瓷。例如，介电绝缘层11可以由以下材料之一组成或包括以下材料之一：al2o3、aln、sic、beo或si3n4。例如，衬底10可以是例如直接铜接合(dcb)衬底、直接铝接合(dab)衬底或活性金属钎焊(amb)衬底。此外，衬底10可以是绝缘金属衬底(ims)。绝缘金属衬底通常包括介电绝缘层11，所述介电绝缘层11包括(填充)材料，例如环氧树脂或聚酰亚胺。例如，介电绝缘层11的材料可以填充有陶瓷颗粒。这样的颗粒可以包括例如si2o、al2o3、aln或bn并且可以具有在约1μm和约50μm之间的直径。衬底10也可以是具有非陶瓷介电绝缘层11的传统印刷电路板(pcb)。例如，非陶瓷介电绝缘层11可以由固化树脂组成或包括固化树脂。
18.半导体衬底10布置在壳体7中。在图1所示的示例中，半导体衬底10形成壳体7的接地表面，而壳体7本身仅包括侧壁和盖。然而，这只是一个示例。壳体7还可以包括接地表面并且半导体衬底10布置在壳体7内。根据另一示例，半导体衬底10可以安装在基板(未示出)
上。在一些功率半导体模块装置100中，多于一个的半导体衬底10布置在单个基板上。例如，基板可以形成壳体7的接地表面。
19.一个或多个半导体本体20可以布置在半导体衬底10上。布置在半导体衬底10上的每个半导体本体20可以包括二极管、igbt(insulated-gate bipolar transistor；绝缘栅双极晶体管)、mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor；金属-氧化物半导体场效应晶体管)、jfet(junction field-effect transistor；结场效应晶体管)、hemt(high-electron-mobility transistor；高电子迁移率晶体管)或任何其它合适的可控半导体元件。
20.一个或多个半导体本体20可以在半导体衬底10上形成半导体布置结构。在图1中，仅示例性地示出了两个半导体本体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，而是在层的不同区段之间包括凹部。这种凹部在图1中示意性地示出。所述示例中的第一金属化层111包括三个不同区段。不同的半导体本体20可以安装到第一金属化层111的相同或不同区段上。第一金属化层的不同区段可以没有电连接或者可以使用例如连接导线3电连接到一个或多个其它区段。电连接3还可以包括例如连接板或导体轨，仅举几个例子。一个或多个半导体本体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层、例如烧结银粉末层。
21.图1中所示的功率半导体模块装置100还包括端子元件4。端子元件4电连接到第一金属化层111并提供壳体7的内部和外部之间的电连接。端子元件4可以用第一端电连接到第一金属化层111，而端子元件4的第二端41通过开口722突出并伸出壳体7。端子元件4可以在它们的第二端41被从外部电接触。然而，图1中所示的端子元件4仅是示例。端子元件4可以以任何其它方式实施并且可以布置在壳体7内的任何位置。例如，一个或多个端子元件4可以被布置成靠近或邻近壳体7的侧壁。例如，端子元件4也可以垂直地或水平地延伸通过壳体7的侧壁。任何其它合适的实施方式都是可能的。
22.常规功率半导体模块装置100通常还包括浇注化合物5。例如，浇注化合物5可以由硅胶组成或包括硅胶，或者可以是刚性模制化合物。浇注化合物5可以至少部分地填充壳体7的内部，从而覆盖布置在半导体衬底10上的部件和电连接。端子元件4可以部分地嵌入浇注化合物5中。然而，至少它们的第二端41没有被浇注化合物5覆盖并且从浇注化合物5穿过壳体7突出到壳体7的外部。浇注化合物5被配置为保护功率半导体模块100内部、特别是壳体7内部的部件和电连接免受某些环境条件影响和遭到机械损坏。浇注化合物5还提供了对壳体7内部的部件的电隔离。
23.现在参考图2，示意性地示出了功率半导体模块装置的斜视图。在该斜视图中，壳体7内的之上安装有半导体本体20的衬底10是不可见的。可见的是仅壳体7中的开口722和从壳体7突出来的端子元件4的第二端41。
24.生产已经参考以上图1和图2解释的功率半导体模块装置100可能是复杂且昂贵的。现在参考图3，示意性地示出了根据一个示例的用于形成用于功率半导体模块装置的壳体的设备。所述设备包括模具80。第一腔812形成在模具80中。第一腔812包括多个第一开口822和第二开口824。第二开口824耦连到被配置为将模制材料90注入到第一腔812中的流道
系统814。然而，这仅仅是示例。例如，模制材料90可以通过一个以上耦连到流道系统814的第二开口824嵌入第一腔812中。每个第一开口822形成从第一腔812到模具外部的连接。
25.套筒或空心衬套82插入到每个第一开口822中。所述设备还包括被配置为冷却套筒或空心衬套82的冷却设备86以及被配置为加热模具80的加热设备84。可以借助于图3所示的设备生产模制壳体。也就是说，与上面参考图1解释的壳体7相比，用图3的设备生产的壳体没有包括侧壁和盖以及布置在由侧壁和盖形成的腔内的浇注化合物。相反，可以用图3的设备形成的壳体是紧凑的壳体，并且半导体模块装置直接模制到壳体中。这将在下面更详细地解释。
26.现在参考图4，衬底10可以布置在模具80的第一腔812内部。衬底10可以类似于上面参考图1描述的衬底10。然而，半导体本体20、连接层30或电连接3未在图4中具体示出。多个端子元件4布置在衬底10上。端子元件4中的每一个分别穿过多个套筒或空心衬套82中的相应的一个突出到第一腔812的外部和模具80的外部。
27.现在参考图5，可选地可以借助于下压座88将端子元件4压向衬底10。在图5所示的示例中，下压座88包括分别布置在第一板882与多个第二板884中的一个之间的多个弹簧886。多个第二板884中的每一个分别被配置为接触多个端子元件4中的相应的一个。也就是说，第一板882在多个弹簧886上施加压力并且多个弹簧886中的每一个分别对多个第二板884中的相应的一个施加压力，所述压力被传递到端子元件4。以这种方式，可以在端子元件4上施加一定的压力以便将它们压在衬底10上。然而，由于弹簧886的柔性，压力可以被限制于最大值。以这种方式，可以防止当将端子元件4压在衬底10上时损坏端子元件4和衬底10。然而，这只是一个示例。下压座88可以以任何其它合适的方式实施。在图5所示的示例中，第一腔812和第二腔814填充有模制材料90。第一腔812内部的模制材料90形成功率半导体模块装置的壳体。因此，第一腔812可以具有要生产的壳体的期望形式。
28.如以下参考图6a、图6b和图6c将进一步描述的，壳体可以容易地通过将模制材料90压入第一腔812并随后硬化模制材料90来形成。当将模制材料90填充到第一腔812中时、模制材料为液体或粘性的。然而，套筒或空心衬套82形成第一腔812的开口，模制材料90可通过该开口从第一腔812泄漏出。然而，通过套筒或空心衬套82的模制材料90的泄漏借助于冷却设备86来防止。冷却设备86被配置成冷却套筒或空心衬套82。模制材料90通常在将其压入第一腔812时被加热到一定程度，以使其保持液态或粘性。为了能够用模制材料90完全填充第一腔812，模具80借助于加热设备84被加热。这防止模制材料90过早硬化以便能够完全填充第一腔812而没有形成任何非期望的空隙。然而，当模制材料90与冷却的套筒或空心衬套82接触时，它会冷却并密封开口822，从而防止模制材料90从第一腔812泄漏出。
29.这将参考图6a、图6b和图6c更详细地解释。图6a示意性地示出了模具80的一个区段的剖视图。在图6a中，仅示出了开口822中的一个。衬底10在图6a中部分可见。模制材料90被压入第一腔812。粗箭头指示模制材料90的移动方向。现在参考图6b，模制材料90被进一步压入第一腔812中。当它接触冷却的套筒或空心衬套时，它会硬化并密封开口822。然而，由于模具80借助于加热设备84(图6a、图6b和图6c中不可见)被加热，因此它仅在套筒或空心衬套82的紧邻位置处硬化并在所有其它部分保持液体或粘性。以这种方式，模制材料90可以被进一步压入第一腔中，如图6b中的粗箭头所示。图6c示意性地示出了当模具80被模制材料90完全填充时模具80的一个区段。然后半导体衬底装置被模制到模制材料90中并且
模制材料可以被硬化。在硬化模制材料90之后，可以移除模具80。
30.仍然参考图6a、图6b和图6c，多个套筒或空心衬套82中的每一个可以包括朝向第一腔812的漏斗形端部92。以这种方式，可以在模制材料90与套筒或空心衬套82接触的那个区域增加套筒或空心衬套82的表面。这允许更快地冷却套筒或空心衬套附近的模制材料，从而有效地密封开口822并防止模制材料90从第一腔812泄漏出。根据一个示例，模制材料90仅在布置在漏斗形端部92内的那些区段中硬化。
31.图7示意性地示出了模制到壳体中的半导体衬底10的剖视图，所述壳体已经借助于上面参考图3至图6c解释的设备生产。壳体具有第一腔812的形式。在壳体的顶表面上，可以看到多个突起。这些突起是由于模制材料90在套筒或空心衬套82的漏斗形端部92的范围内硬化而产生的。
32.根据一个示例，套筒或空心衬套82可以包括导热材料、例如金属。根据一个示例，套筒或空心衬套82包括铜。这允许将冷却设备布置成使其接触套筒或空心衬套82的布置在第一腔812外部一端，并且仍然能冷却套筒或空心衬套82的邻近第一腔812布置的另一端。模具80可以被加热到150℃和200℃之间的温度、例如180℃。套筒或空心衬套82可被冷却到0℃和50℃之间的温度、例如冷却到室温。模制材料90可以在150℃和200℃之间的温度下液化并且可以在0℃和50℃之间的温度下硬化。所述温度通常取决于用于形成壳体的模制材料90的种类。例如，模制材料90可以包括热固性材料或弹性体。例如，冷却元件86可以是水冷冷却元件。
33.现在参考图8，示意性地示出了根据另一示例的用于生产用于功率半导体模块装置的壳体的设备的剖视图。所述设备总体上对应于上面已参考图3描述的设备。然而，在图8所示的示例中，每个套筒或空心衬套82均与模具80热隔离。如上所述，当模制材料90被压入第一腔812中时，套筒或空心衬套82被冷却，而模具80被加热。为了将套筒或空心衬套82和模具80都保持在所需温度下，可以在每个套筒或空心衬套82与模具80之间嵌入热隔离体826。热隔离体826可以包括一层热隔离材料、例如特氟龙(teflon)。然而，这只是一个示例。可以使用任何其它热隔离材料替代。作为热隔离材料层的替代方式，热隔离体826还可以包括充气室。腔室内的空气也具有热隔离作用。当在套筒或空心衬套82与模具之间布置热隔离体826时，避免或至少减少了套筒或空心衬套82与模具之间的直接接触。