本發(fā)明涉及一種具有覆蓋至少一個(gè)半導(dǎo)體組件（半導(dǎo)體）的包封物質(zhì)的半導(dǎo)體模塊。

背景技術(shù)：

在襯底（陶瓷印制電路板、金屬印制電路板以及有機(jī)印制電路板）上包封單個(gè)半導(dǎo)體和半導(dǎo)體部件現(xiàn)今優(yōu)選地通過例如基于環(huán)氧樹脂的、部分地具有無機(jī)填充物、如二氧化硅（SiO₂）的有機(jī)物質(zhì)來進(jìn)行。例如US 4,529,755公開一種這樣的包封物質(zhì)，所述包封物質(zhì)包括多功能的環(huán)氧化物化合物、苯乙烯嵌段共聚物、用于環(huán)氧化物化合物的硬化劑和無機(jī)填充物。

這些被包封的器件和部件典型地具有用于所安裝的功率器件的電連接端子和冷卻連接面。

對(duì)于功率電子應(yīng)用來說，具有高的損耗功率的以及部分地也具有高的運(yùn)行電壓、即絕緣要求的器件和部件是重點(diǎn)。在功率電子器件和部件中，主要將具有由氧化鋁、氮化鋁氮化硅構(gòu)成的芯的陶瓷襯底用作電路載體。

US 7,034,660 B2公開了一種無線地工作的傳感器，所述傳感器被嵌入到混凝土或者其它含有粘合劑的材料中，以便檢測(cè)如下參數(shù)，所述參數(shù)表明建筑材料中的變化。所述傳感器例如可以是適于檢測(cè)氯離子的電化學(xué)傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的任務(wù)是提供具有改進(jìn)的包封的半導(dǎo)體模塊、尤其功率電子部件。

該任務(wù)通過如下半導(dǎo)體模塊（10）來解決，所述半導(dǎo)體模塊具有：承載至少一個(gè)半導(dǎo)體組件（20）的陶瓷電路載體（50），所述陶瓷電路載體的陶瓷選自如下組，所述組由基于氧化鋁、氮化鋁或者氮化硅的陶瓷組成，其中所述至少一個(gè)半導(dǎo)體組件（20）被包封物質(zhì)（30）覆蓋，其特征在于，所述包封物質(zhì)（30）包括硬化的無機(jī)粘合劑并且具有2至10ppm/K的范圍中的熱膨脹系數(shù)。

所述半導(dǎo)體模塊（10）除了其特殊的包封物質(zhì)（30）之外是普通半導(dǎo)體模塊，所述普通半導(dǎo)體模塊包括陶瓷電路載體（陶瓷襯底）（50），所述陶瓷電路載體承載一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體組件（20）。所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體組件（20）尤其是在常規(guī)運(yùn)行期間由于損耗功率而形成相當(dāng)多的熱的、即在無包封并且未封裝的情況下達(dá)到例如150至＞200℃的自毀性的溫度的半導(dǎo)體，如所述半導(dǎo)體例如在功率電子部件中所應(yīng)用那樣；所述一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體組件（20）尤其不是傳感器或者探測(cè)器。電路載體（50）的陶瓷是選自如下組的陶瓷，所述組由基于氧化鋁、氮化鋁或者氮化硅的陶瓷組成。換言之，涉及具有95至100重量百分比的氧化鋁、氮化鋁或氮化硅份額的陶瓷。

包封物質(zhì)（30）是基本上或者完全無機(jī)的、無金屬的材料。所述包封物質(zhì)具有2至10ppm/K的范圍中的熱膨脹系數(shù)。包封物質(zhì)（30）包括硬化的無機(jī)粘合劑。

換言之，包封物質(zhì)（30）由硬化的無機(jī)粘合劑構(gòu)成或者所述包封物質(zhì)除了構(gòu)成基質(zhì)的、硬化的無機(jī)粘合劑之外還包括一種或多種另外的組成部分。后者優(yōu)選地是不導(dǎo)電的。

構(gòu)成包封物質(zhì)（30）的基質(zhì)或者包封物質(zhì)（30）本身的硬化的無機(jī)粘合劑具有2至10ppm/K的范圍中的熱膨脹系數(shù)。硬化的無機(jī)粘合劑可以通過如下方式來構(gòu)成：將由無機(jī)粘結(jié)劑和無機(jī)添加物構(gòu)成的粉末狀的混合物與水混合成可澆注的物質(zhì)，澆注如此構(gòu)成的可澆注的物質(zhì)，然后使所澆注的物質(zhì)凝固并且干燥。

在一種實(shí)施方式中，由無機(jī)粘結(jié)劑和無機(jī)添加物構(gòu)成的粉末狀的混合物可以是專業(yè)人員已知的磷酸鹽粘合劑、例如優(yōu)選地是磷酸鎂粘合劑、尤其是包含氧化鎂和鋯石的磷酸鎂粘合劑。這種材料的示例是由Sauereisen公司以ZIRCON POTTING CEMENT NO.13銷售的產(chǎn)品。

通過將由無機(jī)粘結(jié)劑和無機(jī)添加物構(gòu)成的合適的粉末狀的混合物與水混合所構(gòu)成的可澆注的物質(zhì)的已經(jīng)提及的澆注可以借助于普通的、專業(yè)人員已知的方法來進(jìn)行，例如通過施加重力或者壓力的澆注。在此可能適宜的是，把要包封的構(gòu)件或者要包封的部件利用半殼形狀來包圍并且然后以可澆注的物質(zhì)來填充。在凝固以及干燥之后可以在打開半殼之后將被包封的構(gòu)件或者被包封的部件取出。

澆注例如可以如下進(jìn)行，即包封物質(zhì)（30）被構(gòu)造為專業(yè)人員已知的“圓頂封裝體（glob-top）”。

但是，所述澆注也可以被執(zhí)行為使得包封物質(zhì)（30）部分地或者完整地包封與半導(dǎo)體組件（20）連接的電接觸元件（40）、諸如接合線、細(xì)帶和/或沖壓柵（Stanzgitter）。部分地包封意味著：接觸元件（40）中的一個(gè)或多個(gè)未完整地被包封和/或接觸元件（40）中的一個(gè)或多個(gè)未被包封，而完整地包封意味著：所有的接觸元件（40）完整地被包封。

凝固和干燥在例如30至120分鐘內(nèi)在20至120℃的溫度范圍中進(jìn)行。無機(jī)粘合劑在凝固和干燥期間硬化。

如已經(jīng)表明，包封物質(zhì)（30）可以由硬化的無機(jī)粘合劑構(gòu)成或者除了用作基質(zhì)組分的、硬化的無機(jī)粘合劑之外還包括一種或多種另外的組成部分。在后者的情況下，所述一種或多種另外的組成部分可在澆注之前被添加至可澆注的物質(zhì)，即在水添加之前和/或之后添加混合。所述一種或多種另外的組成部分因此可以在與水混合成可澆注的物質(zhì)之前添加混合到由無機(jī)粘結(jié)劑和無機(jī)添加物構(gòu)成的粉末狀的混合物或者所述添加混合在水添加之后進(jìn)行。但是也可能的是，在水添加之前添加混合所述組成部分的一部分并且在水添加之后添加混合剩余的部分。

除了硬化的無機(jī)粘合劑之外可能的、由包封物質(zhì)（30）包括的組成部分的示例是：關(guān)于包封物質(zhì)（30）的體積的例如占25至90體積百分比的總體積份額的氮化鋁顆粒、氮化硼顆粒、氧化鋁顆粒和/或氮化硅顆粒。在包封物質(zhì)（30）中存在這種顆粒對(duì)其導(dǎo)熱能力起有益的作用。合適的氮化鋁顆粒的示例是這種具有通過激光衍射確定的0.8至11μm的范圍內(nèi)的平均顆粒大?。╠50）的氮化鋁顆粒，如所述氮化鋁顆粒例如由Fa.H.C.Starck在商業(yè)上銷售的那樣。

除了硬化的無機(jī)粘合劑之外可能的、由包封物質(zhì)（30）包括的組成部分的另外的示例是纖維，即包封物質(zhì)（30）可以包括一種或多種不同類型的纖維。纖維的份額例如可以在直至20體積百分比的范圍中、例如在10至20體積百分比的范圍中。針對(duì)可用的纖維的示例是無機(jī)纖維、如玻璃纖維、玄武巖纖維、硼纖維和陶瓷纖維、例如碳化硅纖維和氧化鋁纖維，但是也是高熔點(diǎn)的有機(jī)纖維、諸如芳族聚酰胺纖維。這種纖維存在于包封物質(zhì)（30）中對(duì)包封物質(zhì)的拉應(yīng)力強(qiáng)度和溫度變化抗性起有益的作用。

在一種實(shí)施方式中，所有與包封物質(zhì)（30）接觸的表面不被涂層，而是配備增附性的敷層（底漆層）、例如配備由聚丙烯酸酯分散劑例如通過噴射涂覆所施加的敷層。

包封物質(zhì)（30）可以具有殘余空隙，因此在一種實(shí)施方式中可以設(shè)置耐濕的敷層。毛細(xì)管例如可以通過低粘性的保護(hù)物質(zhì)來填充，所述保護(hù)物質(zhì)持久地密封所述毛細(xì)管。尤其硅酸鈣或者硅酸鋰的水溶液適用于此。但是也可以利用保護(hù)層來覆蓋包封物質(zhì)（30）的外表面，所述保護(hù)層不被濕氣滲透或者僅僅少量地被濕氣滲透。為此例如可以使用基于可硬化的環(huán)氧樹脂的涂層劑。

包封物質(zhì)（30）的物質(zhì)接合能力能夠?qū)崿F(xiàn)有損耗功率的半導(dǎo)體（20）經(jīng)由包封物質(zhì)（30）到冷卻體（80）的優(yōu)選的導(dǎo)熱。這不僅可以是單側(cè)的，而且可以從半導(dǎo)體（20）出發(fā)是雙側(cè)的。因此，包封物質(zhì)（30）優(yōu)選地是如下熱橋，所述熱橋建立到一個(gè)或多個(gè)尤其金屬的例如由鋁或銅構(gòu)成的冷卻體（80）的熱路徑。

散熱通過包封物質(zhì)（30）向被包封的部件的外表面、例如向所述冷卻體（80）進(jìn)行和/或通過熱輻射進(jìn)行?？赡軐?duì)散熱有益的是，包封物質(zhì)（30）和所述一個(gè)或多個(gè)冷卻體（80）、半導(dǎo)體（20）和陶瓷電路載體（50）之間的物質(zhì)連接包括化學(xué)化合。因此，可以通過在一側(cè)襯底連接的冷卻以及與包封物質(zhì)（30）連接的冷卻來引起熱的多側(cè)散發(fā)。

附圖說明

根據(jù)在附圖中所示出的特別優(yōu)選地構(gòu)造的實(shí)施例來進(jìn)一步解釋本發(fā)明。其中：

圖1示出根據(jù)第一實(shí)施例的根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體模塊（10）的示意性構(gòu)造，在所述實(shí)施例中包封物質(zhì)（30）被構(gòu)造為圓頂封裝體；

圖2示出根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體模塊（10）的示意性構(gòu)造，所述第二實(shí)施例除了機(jī)電接觸引線之外完全被包封物質(zhì)（30）包封；

圖3示出根據(jù)第三實(shí)施例的半導(dǎo)體模塊（10）的示意性構(gòu)造，所述半導(dǎo)體模塊具有被布置在半導(dǎo)體（20）的兩側(cè)的用于空氣冷卻的冷卻體（80a、80b）；

圖4示出根據(jù)第四實(shí)施例的半導(dǎo)體模塊（10）的示意性構(gòu)造，所述半導(dǎo)體模塊具有被布置在所述半導(dǎo)體（20）兩側(cè)的用于水冷卻的冷卻體（80a、80b）；以及

圖5示出根據(jù)第五實(shí)施例的半導(dǎo)體模塊（10）的示意性構(gòu)造，所述半導(dǎo)體模塊具有被布置在半導(dǎo)體（20）的一側(cè)上的用于空氣冷卻的的冷卻體（80c）以及被布置在半導(dǎo)體（20）的另一側(cè)上的用于水冷卻的冷卻體（80b）。

具體實(shí)施方式

圖1示出優(yōu)選地被構(gòu)造為功率電子部件的具有半導(dǎo)體組件（20）的半導(dǎo)體模塊（10），所述半導(dǎo)體組件利用包封物質(zhì)（30）來覆蓋。優(yōu)選地，接觸半導(dǎo)體組件（20）的接合線（40）也利用包封物質(zhì)（30）至少部分地、但是特別優(yōu)選地完全地被覆蓋或者包封。

半導(dǎo)體組件（20）在此如已知的那樣被固定在陶瓷電路載體（50）上，所述陶瓷電路載體又被施加在熱擴(kuò)展板（70）的上側(cè)上，所述熱擴(kuò)展板的下側(cè)與冷卻體（80）連接。除此之外，半導(dǎo)體模塊（10）具有框（60）作為被向外引導(dǎo)的電接觸部的載體。

在該第一實(shí)施例中，包封物質(zhì)（30）僅僅被構(gòu)造為覆蓋/包封半導(dǎo)體組件（20）及其接合線（40）的滴狀物（“圓頂封裝體”）。半導(dǎo)體模塊（10）的“圓頂封裝體”和另外的表面區(qū)域在此被隔離物質(zhì)（90）、例如硅樹脂凝膠覆蓋。

圖2示出根據(jù)第二實(shí)施例利用無框式構(gòu)造來構(gòu)建的半導(dǎo)體模塊（10），所述半導(dǎo)體模塊除了電接觸面和熱接觸面之外完全利用包封物質(zhì)（30）來包封。

該設(shè)計(jì)方案尤其適于作為在以下圖中所示出的實(shí)施例的出發(fā)點(diǎn)。

圖3示出具有在兩側(cè)設(shè)置的空氣冷卻裝置的功率部件，其中上部的冷卻體（80a）與由包封物質(zhì)（30）構(gòu)成的在物質(zhì)上接觸冷卻體（80a）的熱橋連接，并且下部的冷卻體（80b）通過物質(zhì)連接被連接至陶瓷電路載體（50）。

所示出的冷卻體結(jié)構(gòu)分別是一體的并且配備冷卻片或者冷卻銷，以便空氣穿透盡可能渦流地進(jìn)行。

圖4示出具有對(duì)應(yīng)于在圖3中示出的設(shè)計(jì)方案的兩側(cè)的水冷卻裝置的功率部件，其中在圖4中所示出的冷卻體結(jié)構(gòu)被構(gòu)造為一體的并且配備內(nèi)部的水引導(dǎo)通道，以便水穿透可以盡可能在封閉的結(jié)構(gòu)中以小的密封長(zhǎng)度來進(jìn)行。

最后，圖5示出具有兩側(cè)的冷卻裝置的功率部件，其中下部的冷卻體（80b）又被構(gòu)造為一體的，但是上部的冷卻體（80c）被構(gòu)造為多部分的。作為上部的冷卻體（80c）示出的冷卻體結(jié)構(gòu)例如由多個(gè)在半導(dǎo)體模塊（10）的上側(cè)上延伸的冷卻板組成或者由多個(gè)在半導(dǎo)體模塊（10）的表面上分布的冷卻銷組成。

根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體模塊（10）具有在多個(gè)方面改進(jìn)的包封物質(zhì)（30）。尤其應(yīng)提到的是與陶瓷電路載體協(xié)調(diào)的熱膨脹系數(shù)，這在避免不期望的現(xiàn)象、如分層（例如由于熱剪切應(yīng)力）以及在破壞未包封的接觸元件（例如接合線的剪斷）方面起有益的作用。包封物質(zhì)（30）的另一優(yōu)點(diǎn)是其比較良好的導(dǎo)熱能力，所述導(dǎo)熱能力作為在常規(guī)運(yùn)行期間從半導(dǎo)體模塊（10）或者至少一個(gè)半導(dǎo)體組件（20）上的良好的熱量導(dǎo)出的基礎(chǔ)。在與包封物質(zhì)（30）接觸的表面上的附著也是良好的。最終結(jié)果是，所提到的優(yōu)點(diǎn)也意味著尤其在耐久性以及可能以比較高的電功率運(yùn)行方面被改進(jìn)的半導(dǎo)體模塊（10）。