[发明专利]功率半导体模块及制造功率半导体模块的方法

说明书

技术领域

本发明涉及功率半导体模块以及制造功率半导体模块的方法。具体来说，本发明涉及具有短路故障模式能力的功率半导体模块以及制造具有短路故障模式能力的功率半导体模块的方法。

背景技术

在例如用于HVDC应用中的这类模块的串联连接叠层等的高功率半导体模块的情况下，已经发现缺陷导致短路。对于大芯片面积，这种短路在长时间保持稳定。如果例如冗余晶闸管设置在串联连接的晶闸管的叠层中，则其余完整无缺的晶闸管耐受关断阶段期间的电压，并且该叠层保持为可操作。随后能够在计划维修工作的过程中更换有缺陷的晶闸管。

在晶闸管模块中，例如，半导体(也就是说硅)与两个钼晶圆进行机械和电接触并且设置在两个钼晶圆之间。硅(Si)具有1420℃的熔点，其中钼(Mo)的熔点较高，并且硅和钼的金属间化合物具有甚至更高的熔点。因此，在存在缺陷的情况下，硅首先局部熔化，并且当电流流动时，它形成由半导体的整个厚度之上的熔化Si所组成的导电通道。这个缺陷区域能够扩散和/或移动，但是仅将影响芯片面积的小部分。在密封壳体中，熔化Si没有氧化，而是与钼起反应以形成一种类型的粉末。这个过程继续进行到已经消耗所有Si，并且可能会延续数年。

与晶闸管半导体组件形成对照，例如，绝缘栅双极晶体管芯片不是作为大面积单元制造的，因此通常多个小面积的单独芯片相互隔离并且并排设置在绝缘栅双极晶体管模块中。通常，小面积芯片的芯片尺寸是在0.25cm²至10cm²之间。当今的作为大面积单元的一个示例的晶闸管具有10cm²至300cm²的典型尺寸。

已经发现，例如对于绝缘栅双极晶体管模块，不能预计上述类型的长期稳定短路。这主要是由于各个芯片的已减小面积以及小的硅体积。在这种情况下，短路的伪稳态阶段仅持续几个小时至几天。此外，壳体往往有意没有密封，使得熔化硅能够与氧起反应，并且形成绝缘硅石(SiO₂)。在有缺陷的芯片中没有任何稳定短路通路的情况下，能够发生的最坏情况的情形如下所述：如果模块中的其余芯片(包括激励)仍然完整无缺，则它们能够耐受关断阶段期间的电压。然后迫使电流通过有缺陷芯片，并且在完整无缺的芯片的高达击穿电压的电压下，能够导致形成具有极高功率密度的等离子体。这引起整个模块被破坏。

为了避免这个问题，从EP 0989611B1已知的是一种功率半导体模块，该模块由小面积的单独芯片来形成，并且其中单独芯片的短路没有导致模块的整体故障。按照这种现有技术，使由适当材料(例如银)构成的金属层与硅半导体的主电极中的一个或两个直接接触。这种金属层的材料必须与半导体的硅形成共晶混合物。在短路的情况下，加热整体夹合结构(sandwich structure)，一旦达到共晶混合物的熔点，导电熔化开始在所述金属层与硅之间的接触表面上形成。这个区域则能够在半导体的整个厚度之上扩展，并且因而形成金属导电通道，其又称作热点。充分电接触由此通过电接触活塞来提供。

关于金属层的厚度，金属层必须提供足够的材料来形成通过半导体的整个厚度的导电通道。如果金属层的厚度是半导体厚度的至少50％，则情况通常是这样。在理想情况下，金属层的材料的摩尔量与硅的摩尔量之间的比率应当近似等于这些材料在相图中的其共晶点处的摩尔比率，使得金属导电通道由共晶材料形成。

但是，在引起半导体器件中的大温度摆动的高额定功率的正常操作条件下，引入与半导体接触的金属层在间歇工作负载(IOL)下产生热机疲劳的问题，并且能够因相接触的半导体芯片与金属层之间的热膨胀系数(CTE)的差而引起磨损。这可能潜在地引起半导体芯片的提早故障。

因此，从US 7538436B2已知的是一种包括使之与半导体芯片的主电极中的一个或两个直接接触的层的高功率压接封装半导体模块，使用在接触界面的平面中随机定向的、热膨胀系数能够调整成与硅的热膨胀系数接近或匹配的值的二维短石墨纤维、由金属基质合成物(MMC)材料来制成所述层。

使用对半导体器件施加压力的接触活塞的这些半导体模块的主要缺点之一是其老化行为。详细来说，存在渗透接触部之间的硅凝胶导致电流通路的欧姆电阻增加的风险。这个电阻还通过芯片的电极与模块的外部电接触部之间数个这样形成的干式接触部来增加。此外，其电流负载受到弹簧形状限制。此外，这种半导体模块的制造是复杂并且成本极高的。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种将消除本领域已知的至少一个缺点的改进功率半导体模块。