功率半导体器件及制造方法与流程

1.提供了一种功率半导体器件和一种用于制造这种功率半导体器件的方法。


背景技术：

2.文献us2018/0114740 a1涉及一种晶体管封装件。
3.文献wo 2018/202615 a1公开了一种具有暴露的端子区域的树脂封装的功率半导体模块。
4.文献kr 2003 0080900a、us 5 105 259 a、us2014/0332951 a1、us2015/0137344a1、us2005/0082690 a1和ep 0 577 966 a1涉及电子器件。


技术实现要素：

5.待解决的问题是提供一种功率半导体器件，其例如具有改善的热行为，而不使用焊接、烧结、胶合或螺纹连接等连接方法。
6.这个目的尤其通过独立权利要求中限定的一种功率半导体器件和一种方法来实现。示例性进一步发展构成了从属权利要求的主题。
7.例如，本文所述的功率半导体器件包括支撑件、散热器和模具主体。通过模具主体将支撑件直接压到散热器上，从而不需要用于将支撑件附接或保持在散热器上的另外的装置。因此，可以存在从支撑件到散热器的直接热路径，而没有由于例如导热膏、焊料或烧结接合部而产生的附加热阻。
8.在至少一个实施例中，功率半导体器件包括至少一个支撑件，至少一个功率半导体芯片布置在至少一个支撑件的支撑件顶侧上。进一步，功率半导体器件包括具有散热器顶侧的散热器，至少一个支撑件布置在散热器顶侧上。电绝缘材料的模具主体与至少一个支撑件且与散热器直接接触。模具主体将至少一个支撑件固定并压到散热器上。可选地，模具主体是功率半导体器件中唯一粘性结合到散热器的部件，并且至少一个支撑件借助于模具主体以压配合的方式固定到散热器上，并且在模具主体中存在从背离散热器的模具主体顶侧行进到支撑件顶侧的至少一个凹部，并且至少一条电布线行进穿过至少一个凹部。
9.功率半导体器件是逆变器的在操作期间生成热量的重要部件。耗散热量对于高效操作逆变器是重要的。为此，携载功率半导体芯片的支撑件被附接到散热器，并且空气或液体通常被用作冷却介质或冷却剂。而且，功率半导体器件在高电压下操作。这需要器件的有效电绝缘，通常通过利用硅胶或利用通常基于环氧树脂的灌封或模塑化合物封装功率器件结构。
10.将支撑件固定到散热器上的替代可能性是利用螺钉等将功率半导体器件夹持到散热器上，并在其间施加热界面材料(简称tim)以确保适当的热接触。为了克服tim的相对较低的热导率，可以制造具有集成冷却结构的功率半导体器件。因此，功率半导体器件需要例如通过螺钉附接，并且还需要例如通过橡胶垫圈密封到冷却器壳体，以采用液体冷却。
11.也就是说，tim的使用限制了热路径，并且从而限制了功率半导体器件的性能，最
终导致更高的系统成本。集成冷却结构的使用需要针对冷却剂液体的附加密封，从而增加了附加零件和过程步骤的成本。
12.在本文所述的功率半导体器件中，封装材料(即模具主体)也用于将支撑件附接到散热器，并且潜在地还用作密封材料。为此，开放式非封装功率模块(即携载功率半导体芯片的支撑件)被组装在散热器上，该散热器可以是开放或封闭式冷却器。例如，组装是通过取放过程完成的。为了精确地限定支撑件在散热器上的侧向位置，可以可选地使用对准特征。然后，在封装过程器件将支撑件牢固地压到散热器上，该封装过程例如是至少一种硬模化合物的传递模塑或压缩模塑。
13.因此，除了其电绝缘的目的之外，作为封装材料的模具主体还将支撑件固定在散热器上，并且永久地在支撑件-散热器界面上提供压力。散热器可以包括用于使与模化合物的结合强度最大化以便提供可靠且较强的热和机械接触的特征。
14.因此，通过使用本文描述的功率半导体器件，可以节省与附加夹持、密封、结合材料和过程步骤相关的任何成本。
15.简而言之，在本文描述的功率半导体器件中，功率模块的衬底(即支撑件)借助于封装材料(即模具主体)机械地附接到散热器，其中在衬底和散热器之间不需要附加互连层，如焊料或烧结层或胶合。功率模块可以包括至少一个电绝缘衬底、由硅或碳化硅制成的至少一个功率半导体器件，如mosfet、igbt或二极管。封装材料可以是基于环氧树脂的模部件或基于硅树脂的模化合物。封装材料不直接在功率器件和散热器之间的热路径中。为了使支撑件和散热器之间的连接的机械强度最大化，可以在散热器的顶侧制造将由封装材料填充的锚固特征，例如更容易制造的t形截面、l形截面或成角度的凹槽。可以使用开放或封闭式冷却器。绝缘支撑件可以包括集成的冷却结构。在这种情况下，散热器是具有用于冷却介质的至少一个入口和一个出口以及每个支撑件的、支撑件的冷却结构至少部分浸入其中的至少一个开口的开放式冷却器。在不同的实施例中，散热器是具有用于冷却介质的至少一个入口和一个出口并且具有集成的冷却结构(如翅片和/或通道)的封闭式冷却器。在这种情况下，衬底和封闭式冷却器之间的热接触可以通过附加的非结合材料来改善，如热界面材料或金属颗粒。在封装过程期间实现强机械接触所需的特征可能保留在最终结构中。可能的特征可以是例如通过转移或压缩模塑制成的绝缘柱、或者暴露区域。
16.根据至少一个实施例，至少一个支撑件设置有一个功率半导体芯片或设置有多个功率半导体芯片。因此，支撑件可以是功率半导体模块的衬底。例如，功率半导体器件的一个或多个功率半导体芯片被配置用于至少400v或至少650v或至少1.0kv或至少1.2kv或至少1.6kv的电压。此外，至少一个功率半导体芯片可以被配置用于至少1a或至少10a或至少50a的电流。
17.根据至少一个实施例，至少一个功率半导体芯片从以下群组中进行选择：金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)、金属绝缘体半导体场效应晶体管(misfet)、绝缘栅双极晶体管(igbt)、双极结型晶体管(bjt)、晶闸管、门极关断晶闸管(gto)、门极换向晶闸管(gct)、结型栅场效应晶体管(jfet)和二极管。如果存在多个功率半导体芯片，那么所有的半导体芯片可以具有相同类型的，或者存在不同类型的半导体芯片。
18.根据至少一个实施例，支撑件顶侧具有整体平面形式。换句话说，支撑件可以是平面平行板。这不包括支撑件顶侧可以设置有被结构化为支撑件顶侧上的金属层的导体轨
道。
19.根据至少一个实施例，模具主体是功率半导体器件中唯一粘性接合到散热器顶侧或接合到散热器的部件。例如，在散热器和支撑件之间没有粘性结合部，并且支撑件可以直接施加在散热器顶侧上。可能的是，支撑件和散热器之间仅通过支撑件本身进行金属和/或导电连接，因此不用借助于焊料、烧结层或膏中的导电颗粒。另外，可能的是，在散热器和支撑件之间存在中间层，该中间层例如是tim层。借助于中间层，可以填充散热器顶侧的和/或支撑件底侧的不平坦度或粗糙度，提高散热器和支撑件之间的热接触。
20.根据至少一个实施例，至少一个支撑件借助于模具主体以压配合的方式固定到散热器上。换句话说，借助于模具主体，支撑件可以如此强有力地压到散热器上，使得支撑件相对于散热器的侧向移动受到摩擦阻碍。
21.根据至少一个实施例，散热器顶侧具有平面形式。也就是说，散热器顶侧可以没有任何弯曲。进一步，散热器顶侧可以是光滑的。例如，散热器顶侧的平均粗糙度(也称为ra)为至少0.5μm或至多10μm或至多5μm。例如，散热器顶侧是抛光表面。这同样适用于与散热器顶面接触的衬底底侧。另外，在具有或没有附加中间层(如膏或tim)的情况下，散热器顶侧和/或支撑件底侧可以具有一定的粗糙度以改善热接触。
22.根据至少一个实施例，在散热器顶侧的俯视图中观察，散热器顶侧至少在某些地方或四周从模具主体突出。例如，在散热器顶侧的俯视图中观察，没有其中模具主体从散热器突出的地方。可能的是，在侧向方向上，散热器和模具主体可以彼此齐平地终止。
23.作为可替代方案，模具主体可以部分地包围散热器，使得模具主体可以延伸到散热器的侧向面或延伸到底侧，所述底面与散热器顶面相对。
24.根据至少一个实施例，与相应的支撑件顶侧相对的至少一个支撑件的支撑件底侧是平坦且连续的面。支撑件底侧可以没有任何弯曲，并且可以是抛光表面。例如，在支撑件底侧中没有孔，使得没有螺钉等穿过支撑件底侧。
25.根据至少一个实施例，模具主体借助于至少一个形状锁合接合部附接到散热器。换句话说，模具主体穿透散热器顶侧，并且散热器中的互锁特征将在模塑过程期间被填充。例如，模具主体包括一个或多个突起，作为通过散热器顶侧行进到散热器中的形状锁合接合部。附加地或可替代地，散热器可以包括至少一个突起作为锚固元件，在该锚固元件处或围绕该锚固元件通过模塑形成模具主体，以实现改善的机械接触。
26.根据至少一个实施例，在垂直于散热器顶侧的散热器横截面中观察，形状锁合接合部包括行进到散热器中的下列元件中的至少一个：t形锚固元件、l形锚固元件、v形突出部、梯形突出部、矩形突出部。因此，相应的突起可以直接在散热器顶侧处相对较窄，并且可以在散热器内变得更宽。而且，至少一个粗糙化部作为锚固结构是可能的。这同样适用于散热器的突起，并因此适用于模具主体中的凹部。
27.另外，相应突起的宽度可以沿着散热器的向内的方向单调或严格单调减小，从而背离支撑件。“形状锁合”可能意味着模具主体的各个突起四周与散热器直接接触。可能的是，以组合的方式存在不同种类的突起，或者所有的突起具有相同的形状。
28.根据至少一个实施例，在模具主体中存在一个或多个凹部。例如，至少一个凹部从背离散热器的模具主体顶侧行进至支撑件顶侧。因此，支撑件顶侧可以部分地没有模具主体。
29.例如，在支撑件顶侧的俯视图中观察，至少一个凹部最多占相应的支撑件顶侧的面积的20％或10％。因此，至少一个凹部仅在支撑件顶侧的相对较小的部分上。不受至少一个凹部影响的支撑件顶侧的其它部分优选地被模具主体覆盖。
30.不要求在支撑件顶侧的俯视图中观察，至少一个凹部直接终止于支撑件顶侧上，但在至少一个凹部的区域中，在支撑件顶侧上没有模具主体的材料。也就是说，至少一个凹部也可以行进到至少一个功率半导体芯片。
31.根据至少一个实施例，功率半导体器件进一步包括一个或多个柱。该至少一个柱部分或完全位于该至少一个凹部中。例如，至少一个柱触及支撑件顶侧或至少一个功率半导体芯片。至少一个柱可以与模具主体顶侧齐平地终止，或者另外地可以在背离散热器的方向上从模具主体顶侧突出。在侧向方向上，平行于支撑件顶侧，至少一个柱可以四周与模具主体直接接触。因此，模具主体可以被模塑到至少一个柱上，反之亦然。
32.例如，至少一个柱由硬材料制成，即由比模具主体更坚硬的材料制成。可能的是，至少一个柱由硬塑料、由金属或由陶瓷制成。另外，至少一个柱可以由软材料制成，也就是说，由相比于模具主体不太坚硬的材料制成。在后一种情况下，至少一个模具主体可以由软塑料，如硅树脂或硅橡胶制成，以便封闭至少一个凹部。
33.进一步，可能的是在至少一个凹部中存在电布线。因此，通过凹部，可以电接触至少一个支撑件。在这种情况下，为了电绝缘的目的，可以利用电绝缘材料(如硅基材料)填充满凹部。
34.根据至少一个实施例，散热器是开放式冷却器，使得通过散热器提供的冷却剂被配置成在支撑件中循环。也就是说，通过散热器，支撑件被提供有冷却剂。因此，支撑件可以设置有用于冷却剂的至少一个通道。另外，冷却剂可能直接在支撑件底侧处流动，但可能不穿透支撑件，或者在封闭式冷却器的情况下，冷却剂可能被限制到散热器的内部和/或可能不与支撑件直接接触。例如，冷却剂是像空气的气体或像水或油的液体。
35.根据至少一个实施例，模具主体为冷却剂提供密封。换句话说，由于模具主体的原因，如果冷却剂与支撑件直接接触，在支撑件和散热器之间没有冷却剂泄漏。例如，模具主体是界面支撑(散热器)处对冷却剂的唯一密封。因此，不需要附加垫圈等。在这方面，可能的是，模具主体可以在多步模塑过程中生产，例如使用利用两种不同材料(如用于密封的一种材料以及用于绝缘和机械强度的另一材料)进行的两个步骤。
36.根据至少一个实施例，支撑件包括电绝缘主体。所述电绝缘主体可以是机械地携载支撑件并因此携载至少一个功率半导体芯片的支撑件的一部分。例如，电绝缘主体由陶瓷制成。
37.根据至少一个实施例，电绝缘主体设置有至少一个金属化层。例如，电绝缘主体位于两个金属化层之间，使得支撑件顶侧由金属化层中的一个形成，并且支撑件底侧可以由金属化层中的另一个形成。
38.根据至少一个实施例，支撑件是绝缘衬底，例如直接覆铜衬底、活性金属钎焊衬底、绝缘金属衬底，该绝缘金属衬底包括例如由陶瓷(如al2o3、sin或aln)制成的中央电绝缘主体以及在电绝缘主体的每个主侧上的至少一个金属化层。因此，可以优化支撑件以获得散热器和至少一个功率半导体芯片之间的低热阻。
39.根据至少一个实施例，电绝缘主体和/或至少一个金属化层包括在支撑件侧向面
处的至少一个紧固件。与相应支撑件的其他部分相比，紧固件可以具有减小的厚度。紧固件可以伸入模具主体中，以便增强模具主体和支撑件之间的机械连接。例如，紧固件包括朝向模具主体的至少一个突起和/或粗糙化部。
40.根据至少一个实施例，模具主体由相对较硬的材料制成，例如由基于环氧树脂的环氧模化合物制成，例如多芳族树脂或多功能树脂，并且具有例如高含量的(例如至少70％和/或最多95％的)例如氧化硅、氧化铝或氮化硅的填料材料。例如，模具主体在例如297k的温度下具有至少5gpa或至少10gpa和/或至多40gpa或至多30gpa的弯曲模量；可替代地或附加地，模具主体由例如基于硅树脂的相对柔软的材料制成，并且具有至少5mpa或至少10mpa和/或至多100mpa或至多70mpa的弯曲模量。
41.根据至少一个实施例，支撑件顶侧包括cu、al和ni中的至少一种或者由它们构成。例如，形成支撑件顶侧的金属化层是铜层。通过使用这种材料，可以实现金属化层和模具主体之间的改善的粘附性。也可能的是，在金属化层上施加薄涂层，如厚铜层，以避免例如阻碍电连接的氧化层。在这种情况下，“薄”可能意味着至多1μm，以及“厚”可能意味着至少10μm。
42.根据至少一个实施例，模具主体包括至少一种填料。填料可以是由无机材料(如二氧化硅、氧化铝或氮化硅)制成。然而，有机填料和无机填料可以结合在模具主体中。借助于至少一种填料，模具主体的热膨胀系数(简称为cte)可以适于符合支撑件的和/或散热器的cte。
43.根据至少一个实施例，至少一种填料以分布在模具主体中的颗粒的形式提供。例如，所述颗粒以均匀的方式分布在整个模具主体中。另外，填料或填料中的至少一种可以以不均匀的方式提供，例如仅在支撑件附近、或具有一定的质量分数梯度。如果有多种填料，相应种类的颗粒可以具有不同的形状和/或大小。
44.根据至少一个实施例，至少一种填料或所有填料一起在整个模具主体上的质量分数为至少20％或至少70％或至少80％。可替代地或附加地，所述质量分数为至多60％或至多90％或至多95％。
45.根据至少一个实施例，在垂直于支撑件顶侧的横截面中观察，至少一个支撑件的平行于支撑件顶侧的边缘长度(如平均或最大边缘长度)为至少2cm或至少3cm和/或至多10cm。
46.根据至少一个实施例，在垂直于支撑件顶侧的横截面中观察，模具主体的厚度为至少0.2cm或至少0.3cm和/或至多2cm或至多1cm。例如，模具主体的厚度超过支撑件的厚度至少2倍和/或至多10倍或至多5倍。
47.根据至少一个实施例，在垂直于支撑件顶侧的横截面中观察，模具主体在相应支撑件顶侧上平行于支撑件顶侧的投影长度为至少1mm或至少2mm和/或至多8mm或至多6mm。
48.根据至少一个实施例，在例如297k的温度下，通过模具主体以至少0.05mpa或至少0.2mpa和/或至多5mpa或至多2mpa的压力将至少一个支撑件压到散热器顶侧上。所述压力可以是在整个支撑件底侧上平均化的平均压力。例如，平均压力是力和支撑件底侧的面积含量的商，由于模具主体支撑件被压到散热器上。
49.根据至少一个实施例，功率半导体器件包括多个支撑件。全部支撑件可以彼此远离地布置在散热器顶侧上。因此，相邻的支撑件可能不相互触及。支撑件可以以规则的网格
布置。例如，存在至少两个或至少四个支撑件和/或存在至多64个或至多16个支撑件。
50.根据至少一个实施例，全部支撑件位于散热器和模具主体之间。例如，除了可选的至少一个凹部和可选的冷却剂之外，全部支撑件仅与散热器和模具主体接触。
51.功率半导体器件例如是例如在如混合动力车辆或插电式电动车辆的车辆中将来自电池的直流电流转换成用于电动机的交流电流的功率模块。
52.附加地提供了一种用于制造功率半导体器件的方法。借助于该方法，如结合上述实施例中的至少一个所指示的那样生产功率半导体器件。因此，对于该方法也公开了功率半导体器件的特征，反之亦然。
53.在至少一个实施例中，用于制造功率半导体器件的方法例如按所陈述的顺序包括：
54.a)提供散热器，
55.b)将至少一个支撑件直接放置在散热器顶侧上，
56.c)将至少一个支撑件压到所述散热器上，并且同时将模具主体形成到至少一个支撑件上和形成到散热器顶侧上。
附图说明
57.下面参照附图通过示例性实施例更详细地解释本文中描述的功率半导体器件和方法。各个图中相同的元件以相同的附图标记指示。然而，元件之间的关系没有按比例示出，而是各个元件可能被放大示出以帮助理解。
58.在附图中：
59.图1至图3是本文描述的功率半导体器件的示例性实施例的示意性截面视图，
60.图4至图6是本文描述的功率半导体器件的示例性实施例的示意性俯视图，
61.图7是用于制造本文描述的功率半导体器件的方法的示例性实施例的示意框图，以及
62.图8和图9是本文描述的功率半导体器件的示例性实施例的示意性截面视图。
具体实施方式
63.在图1中，示出了功率半导体器件1的示例性实施例。功率半导体器件1包括具有散热器顶侧30的散热器3。散热器顶侧30具有整体平面形式。进一步，功率半导体器件1包括携载功率半导体芯片24的支撑件2。其上具有所有部件的支撑件2(如功率半导体芯片24)也可以被称为功率模块。
64.例如，支撑件2是直接键合铜衬底，并且由在支撑件顶侧20上和在支撑件底侧29上具有金属化层21的电绝缘主体22构成。支撑件顶侧20以及支撑件底侧29具有平面形式，但是作为选项，支撑件顶侧20上的金属化层21可以被结构化为包括电接触区域和电导体轨迹(未示出)。
65.而且，功率半导体器件1具有带有背离散热器3的模具主体顶侧40的模具主体4。例如，在横截面中观察，模具主体4具有矩形的外部轮廓。模具主体4与散热器3且与支撑件2直接接触。借助于模具主体4，支撑件2被直接压并固定到散热器上，使得不需要附加装置来紧固支撑件2。相应地，支撑件2和散热器3之间的界面没有任何粘合层，如焊料或胶水或热界
面材料。由模具主体4引起的支撑件底侧29在散热器顶侧30上的压力例如是1mpa。
66.作为选项，为了增强粘附性，在模具主体4和散热器3之间的接触区域中，可以存在粗糙化部43。例如，粗糙化部43的平均粗糙度ra为至少10μm或至少30μm和/或至多0.3mm或至多0.1mm。例如，模具主体4由环氧树脂制成，并且金属化层21由铜制成。
67.作为进一步的选项，为了增强模具主体4和支撑件2之间的粘附性，支撑件2可以在侧向侧部上具有紧固件23。除了所示出的之外，这种紧固件也可以存在于支撑件顶侧20处。这种紧固件23可以是延伸到模具主体4中的粗糙化部或至少一个突起。例如，金属化层21相对于电绝缘主体22后退。
68.为了在制造功率半导体器件1期间将支撑件2压到散热器3上，可以存在柱45。柱45可以在生产模具主体4之前施加在支撑件2上。因此，用于模具主体4的模塑材料可以在四周与柱45直接接触。
69.例如，柱4也由金属或者由电绝缘材料(如硬环氧树脂)制成。在形成模具主体4之后，柱45可以保留在功率半导体器件1中，并且可以从树脂主体4突出。柱45可以通过先前的模塑过程制造，或者可以被制造为分离的预制零件，如分离模塑的塑料销钉。
70.而且，在图1中，示出了功率半导体器件1可以包括行进穿过模具主体4的电端子5。作为选项，电端子5可以可替代地或附加地用于柱45，以在制造模具主体4期间将支撑件2压到散热器3上。出于这个目的，例如，电端子5可以不行进穿过模具主体的侧向侧部，如图1所示，但是可替代地可以行进穿过模具主体顶侧。
71.图2中示出了功率半导体器件1的另一示例性实施例。根据图2，散热器3是封闭式冷却器。也就是说，散热器3包括气体或液体在其中作为冷却剂33被引导通过散热器3的通道31。这种封闭式冷却器也可以用在所有其他示例性实施例中。
72.而且，在图2中，作为选项示出了，模具主体4借助于例如在模塑过程期间填充的形状锁合接合部42以形状锁合的方式附接到散热器3。形状锁合接合部42由t形锚固元件构成，该t形锚固元件接合到散热器2中并因此穿过散热器顶侧30。除了所示出的之外，形状锁合接合部42可替代地或附加地包括l形锚固元件、v形突出部、梯形突出部或矩形突出部。这些特征可以促进支撑件2和散热器3之间的强结合强度。
73.进一步，根据图2，在模具主体4中存在从模具主体顶侧40行进到支撑件顶侧20的凹部41。代替压到图1的柱45上，也可能的是，在用于模具主体4的模塑过程期间，模具工具中的特征(未示出)也可以压到支撑件2上。然后，暴露区域将保留在支撑件顶侧20上，并且形成凹部41。
74.作为选项，暴露区域可以用于制造辅助控制触点，以附接端子和/或母线，或者可以在随后的过程步骤(未示出)中完全或部分地利用封装材料填充。利用软封装材料填充凹部41以减小模具主体4上的应变可能是有益的。因此，可以存在行进穿过至少一个凹部41的至少一条电布线51。这种电布线51也可以存在于所有其他实施例中。
75.例如，模具主体4的厚度t是6mm，并且从支撑件底侧29到支撑件顶侧20的支撑件2的厚度d是2mm。因此，模具主体4可以是支撑件2的三倍厚。
76.在其他方面，与图1相同的情况也适用于图2。
77.根据图3，模具主体4可以具有倾斜的侧部面，以简化模具工具的移除。为了改善与散热器3的粘附性，在散热器3中可以存在多个v形凹槽用于形状锁合接合部42(例如布置成
两行)。这种凹槽可以容易地被制造到散热器3中。
78.作为选项，凹部41利用柱45填充，并且可以具有截头棱锥或截头圆锥的形状。因此，凹部41可以朝向支撑件2变得更窄。作为进一步的选项，柱45可以用于电接触支撑件2，并且因此可以作为电端子5工作。出于这个目的，电子接触区域可以被形成在模具主体顶侧40上(未示出)。
79.例如，模具主体4由如环氧树脂的基材44和填料46的颗粒构成。填料46例如是二氧化硅。与图3中示出的内容相反，可能的是，填料46可以均匀分布在整个模具主体4中。
80.进一步，散热器3可以是开放式冷却器。因此，与图2中示出的内容的相反，冷却剂33可能会与支撑件2紧密接触。在第一变型中，通道31将冷却剂引导到支撑件底侧29，使得冷却剂被引导穿过支撑件底侧29，但不进入支撑件2。在由虚线示出的第二变型中，在支撑件2中存在内部冷却结构25，以引导冷却剂33直接通过支撑件2。
81.在此，模具主体4也用作密封件，以便避免冷却剂33从支撑件2和散热器3之间的界面泄漏，使得可以保持散热器3和支撑件2之间的干接触，例如没有附加粘合剂(如焊料)的接触。这种散热器3也可以用在所有其他实施例中。
82.在其他方面，与图1和图2相同的情况也适用于图3。
83.在图4中，示出了当在俯视图中观察时，形状锁合接合部42可以部分或完全围绕支撑件2行进。作为选项，当使用可选的冷却剂33时，形状锁合接合部42可以用作密封装置。例如，支撑件2的最大边缘长度l为55mm，并且模具主体4超出支撑件顶侧20的突出长度p为2mm。
84.作为选项，可以存在对准标记35，以使得能够将支撑件2精确放置到散热器3上。这在所有其他示例性实施例中也是如此。
85.在其他方面，与图1至3相同的情况也适用于图4。
86.根据图5，在仰视图中观察，散热器3和支撑件2具有方形形状。作为选项，形状锁合接合部42以规则的网格四周围绕支撑件顶侧20布置。
87.而且，在图5中，示出了凹部41不需要像图4中具有圆形形状，而是也可以具有矩形形状等。
88.这两种配置(即如图4中的框状或线状形状锁合接合部42和如图5中的点状形状锁合接合部42)可以在所有示例性实施例中使用，也可以以组合的方式使用，使得可以存在至少一个点状形状锁合接合部42以及至少一个框状或线状形状锁合接合部42。进一步，如果存在多个点状形状锁合接合部42，则在横截面中观察，这些形状锁合接合部42可以具有不同的形状。如果存在至少一个框状或线状形状锁合接合部42，则可能的是，沿着相应的形状锁合接合部42，横截面变化，例如，在俯视图中观察，相应的形状锁合接合部42可以变得更窄和更宽，并且可以看起来像珍珠项链或其中菱形沿着线彼此跟随的菱形线。这同样适用于全部其他示例性实施例。
89.在其他方面，与图1至图4相同的情况也可以适用于图5，反之亦然。
90.在图6的示例性实施例中，示出了在公共散热器3上存在多个支撑件2。例如，支撑件2以规则的网格布置。突出长度p也可以保持在相邻支撑件2之间。
91.而且，模具主体4可以包括至少一个加强结构47。例如，加强结构47由从模具主体顶侧40的剩余部分突出的模具主体4的加厚部分形成。可能的是，在俯视图中观察，加强结
构47可以由固定在模具主体顶侧40的角部处的交叉件形成，或者由从一侧到另一侧垂直的线形成。借助于这种加强结构47，可以在整个支撑件底侧29上实现支撑件2到散热器3上的更均匀的压力。
92.可选的凹部41可以布置在加强结构47内，或者可以布置为靠近加强结构47，而不是图6中示出的那样。而且，作为进一步的选项，凹陷41可以不靠近功率半导体芯片42，而是可以在功率半导体芯片24的顶部上。
93.在其他方面，与图1至5相同的情况也适用于图6。
94.在图7中，简要示出了用于生产功率半导体器件1的方法。在方法步骤s1中，提供散热器3。根据方法步骤s2，一个或多个支撑件2直接放置在散热器顶侧30上。在方法步骤s3中，将至少一个支撑件2被压到散热器3上，并且同时将模具主体4形成在至少一个支撑件2以及形成到散热器顶侧30上。
95.模具主体4例如借助于一级或多级压缩模制或传递模制或铸造来形成。可能的是，在远高于功率半导体器件1的预期操作温度的高温下生产模具主体4。因此，当从生产温度冷却下来时，由于模具主体4的热收缩，模具主体4可能附加地被压到支撑件2上。
96.在图8的示例性实施例中，在支撑件2和散热器3之间存在中间层6。例如，中间层6由热界面材料制成。可能的是，中间层6可能完全在支撑件2和散热器3之间延伸，并且可以从支撑件2突出。
97.例如，借助于这种中间层6，支撑件底侧29可以有目的地设置有粗糙化部7。作为图8中未示出的另外的选择，这种粗糙化部7可以附加地或可替代地存在于散热器顶侧30上，以改善模具主体4和散热器3之间的粘附性和锚固。
98.作为进一步的选项，可能的是，用于形状锁合接合部42的锚固结构可以通过从散热器顶侧30开始的突起实现。模具主体4被模塑在这些突起周围，或者也可以被预模塑，并且然后例如在具有预应力的情况下被压并锁定在形状锁合接合部42处。
99.而且，可选地可能的是，如果模具主体4在被施加到散热器3上之前被预模塑，则模具主体4包括弯曲的模具主体顶侧40(例如在横截面中观察)以更好地实现预应力。进一步，散热器3可以包括冷却翅片。
100.在其他方面，与图1至图7相同的情况也可以适用于图8，反之亦然。
101.根据图9，支撑件2由基板27和由一个或多个衬底26构成。衬底可以由半导体材料制成，或者甚至可以是包括至少一个功率半导体芯片24的晶片。例如，基板27是金属板。除了图9中所示出的，可以存在多个基板27。
102.进一步，根据图9，模具主体4由第一部分4a和第二部分4b构成。例如，第一部分4a由如硅树脂的软材料制成。借助于第一部分4a，可以建立对冷却剂的改进的密封，图9中未示出。第二部分4b围绕第一部分形成，并且可以由比第一部分4a更坚硬的材料制成，例如由环氧树脂制成。
103.可能的是，在散热器顶侧30中可能存在多个用于形状锁合接合部42的凹部。例如，对于第一部分4a存在一个内部形状锁合接合部42，以及对于第二部分4b存在一个外部形状锁合接合部42。这些形状锁合接合部42可以具有不同的形状。例如，在俯视图中观察，内部形状锁合接合部42完全包围支撑件2，以及在俯视图中观察，外部形状锁合接合部42可以具有多点状形式，如图5所示。
104.在其他方面，与图1至图8相同的情况也可以适用于图8，反之亦然。
105.除非另有说明，否则图中示出的部件优选地以特定的顺序直接一个在另一个之上。图中不接触的部件优选地彼此间隔开。如果线彼此平行绘制，则对应的表面优选地彼此平行定向。同样地，除非另有说明，图中正确地再现了所绘制的部件相对于彼此的位置。
106.在此描述的功率半导体器件不受参考示例性实施例给出的描述限制。相反，功率半导体器件涵括任何新颖特征和特征的任何组合，特别地包括权利要求中的特征的任何组合，即使没有在权利要求或示例性实施例中明确指示这个特征或这个组合本身。
107.本专利申请要求欧洲专利申请21 159 002.1的优先权，该申请的公开内容通过引用结合于此。
108.附图标记列表
109.1 功率半导体器件
110.2 支撑件
111.20 支撑件顶侧
112.21 金属化层
113.22 电绝缘主体
114.23 紧固件
115.24 功率半导体芯片
116.25 内部冷却结构
117.26 衬底
118.27 基板
119.29 支撑件底侧
120.3 散热器
121.30 散热器顶侧
122.31 通道
123.33 冷却剂
124.35 对准标记
125.4 模具主体
126.4a 模具主体的第一部分
127.4b 模具主体的第二部分
128.40 模具主体顶侧
129.41 凹部
130.42 形状锁合接合部
131.43 粗糙化部
132.44 基材
133.45 柱
134.46 填料
135.47 加强结构
136.48 公共面
137.5 电端子
138.51 电布线
139.6 中间层
140.7 粗糙化部
141.d 支撑件的厚度
142.l 支撑件的边缘长度
143.p 投影长度模具主体—支撑件顶侧
144.s..方法步骤
145.t 模具主体的厚度

技术特征：
1.一种功率半导体器件(1)，包括-至少一个支撑件(2)，至少一个功率半导体芯片(24)布置在支撑件顶侧(20)上，-具有散热器顶侧(30)的散热器(3)，其中所述至少一个支撑件(2)布置在所述散热器顶侧(30)上，以及-电绝缘材料的模具主体(4)，所述模具主体与所述至少一个支撑件(2)和所述散热器(3)直接接触，其中所述模具主体(4)将所述至少一个支撑件(2)固定并压到所述散热器(3)上，-所述模具主体(4)是所述功率半导体器件(1)中唯一粘性结合到所述散热器(3)的部件，并且所述至少一个支撑件(2)借助于所述模具主体(4)以压配合的方式固定到所述散热器(3)，并且-在所述模具主体(4)中存在至少一个凹部(41)，所述至少一个凹部(41)从背离所述散热器(3)的模具主体顶侧(40)行进到所述支撑件顶侧(20)，并且至少一个电布线(51)行进穿过所述至少一个凹部(41)。2.根据前一权利要求所述的功率半导体器件(1)，其中在所述散热器顶侧(30)的俯视图中观察，所述散热器顶侧(30)从所述模具主体(4)四周突出，并且所述至少一个支撑件(2)直接布置在所述散热器顶侧(30)上。3.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)，其中所述至少一个支撑件(2)的支撑件底侧(29)与相应的支撑件顶侧(20)相对，并且是平坦且连续的面。4.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)，其中所述模具主体(4)借助于至少一个形状锁合接合部(42)附接到所述散热器(3)，使得所述模具主体(4)穿透所述散热器顶侧(30)，或者使得所述散热器(30)穿透所述模具主体(4)底侧。5.根据前一权利要求所述的功率半导体器件(1)，其中，在所述散热器(3)的横截面中观察，所述形状锁合接合部(42)包括行进到所述散热器(3)中的以下元件中的至少一个元件：t形锚固元件、l形锚固元件、v形突出部、梯形突出部、矩形突出部、粗糙化部(7)。6.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)，其中通过所述至少一个凹部(41)，所述至少一个支撑件(2)被电接触，并且利用电绝缘材料填充满所述至少一个凹部(41)。7.根据前一权利要求所述的功率半导体器件(1)，还包括至少一个柱(45)，其中所述至少一个柱(45)位于所述至少一个凹部(41)中，触及所述支撑件顶侧(20)并且在背离所述散热器(3)的方向上从所述模具主体顶侧(40)突出。8.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)，其中所述散热器(3)是开放式冷却器，使得通过所述散热器(3)提供的冷却剂(33)被配置为在所述支撑件(2)中循环，并且其中所述模具主体(4)为所述冷却剂(33)提供密封。9.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)，
其中所述支撑件(2)包括在两个金属化层(21)之间的电绝缘主体(22)，所述支撑件顶侧(20)由所述金属化层(21)中的一个金属化层形成。10.根据前一权利要求所述的功率半导体器件(1)，其中所述电绝缘主体(22)在所述支撑件(2)的侧向面处包括突出到所述模具主体(4)中的至少一个紧固件(23)。11.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)，其中所述模具主体(4)由至少一种树脂制成，在297k的温度下，所述至少一种树脂具有在5gpa和30gpa之间并且包括端值的弯曲模量。12.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)，其中所述模具主体(4)包括至少一种填料(46)，所述至少一种填料是无机材料并且以分布在所述模具主体(4)中的颗粒的形式提供，其中所述至少一种填料(46)在整个模具主体(4)上的质量分数在30％和70％之间并且包括端值。13.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)，其中所述散热器顶侧(30)仅与所述至少一个支撑件(2)和所述模具主体(4)直接接触，并且所述散热器(3)与所述至少一个功率半导体芯片(24)电绝缘。14.根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)，包括多个所述支撑件(2)，其中全部所述支撑件(2)彼此远离地布置在所述散热器顶侧(30)上并且位于所述散热器(3)和所述模具主体(4)之间。15.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的功率半导体器件(1)的方法，包括：a)提供所述散热器(3)，b)将所述至少一个支撑件(2)直接放置在所述散热器顶侧(30)上，c)将所述至少一个支撑件(2)压到所述散热器(3)上，并且同时将所述模具主体(4)形成到所述至少一个支撑件(2)上和形成到所述散热器顶侧(30)上。

技术总结
在至少一个实施例中，功率半导体器件(1)包括：-至少一个支撑件(2)，至少一个功率半导体芯片(24)布置在支撑件顶侧(20)上，-具有散热器顶侧(30)的散热器(3)，其中至少一个支撑件(2)布置在散热器顶侧(30)上，以及-电绝缘材料的模具主体(4)，该模具主体与至少一个支撑件(2)和散热器(3)直接接触，其中模具主体(4)将至少一个支撑件(2)固定并压到散热器(3)上。将至少一个支撑件(2)固定并压到散热器(3)上。将至少一个支撑件(2)固定并压到散热器(3)上。


技术研发人员：N
受保护的技术使用者：日立能源瑞士股份公司
技术研发日：2022.01.19
技术公布日：2023/10/15