键合连接机构的制作方法

1.本发明涉及一种具有至少一个半导体元件、基板和至少一个键合连接机构的半导体模块。
2.此外，本发明涉及一种具有至少一个半导体模块的变流器。
3.此外，本发明涉及至少一个键合连接机构作为栅极电阻、作为分流器、作为rc滤波器中的电阻或作为半导体模块中的保险丝的应用。
4.此外，本发明涉及至少一个键合连接机构用于半导体模块中的电流测量或温度确定的应用。


背景技术：

5.在这种变流器中，例如构造为键合线或键合带的键合连接机构通常仅用于将半导体元件与半导体模块中的基板连接。可将变流器例如理解为整流器、逆变器、变换器或直流电压变换器。因此，在这种键合连接机构中通常关注于降低寄生电阻和寄生电感。
6.专利文献de102010031993b4描述一种用于制造键合线的方法，所述键合线具有由第一材料构成的线芯和包覆线芯的、由第二材料制成的线护套，其中，第一材料具有第一金属并且第二材料具有第二金属，并且第一金属和第二金属不同。
7.专利文献ep2662891b1描述一种用于制造铝覆层的铜键合线的方法。
8.公开文献ep2662891b1描述一种具有外部布线的半导体设备。外部布线能够是与晶体管部分的发射极电连接的线。包层线具有芯材料和包围芯材料的外环周部段。芯材料能够由铁或铁合金形成，并且外环周部段能够由铝或铝合金形成。
9.公开文献us2003/0081652a1描述一种具有护套的护套线、特别是用于电温度传感器的连接线，所述护套具有铂并且所述护套包覆由合金制成的芯，其中，芯由在芯表面处自身钝化的镍基合金制成，并且其中，镍基合金具有16至22重量百分比范围内的铬份额。
10.公开文献jph0332033a描述一种组合导体，所述导体包括的芯材料和覆盖芯材料的且塑性变形的外表面元件，其中芯材料在连接中使用的能量的作用下不会塑性变形。
11.在半导体模块中所需的特定电阻，例如为了驱控半导体元件或者为了检测电流值而需要该电阻(所谓的分流电阻)，例如被实现为需要附加结构空间的外部电阻。替代地，例如，分流电阻构造为集成在半导体元件中的内部构件，其中，这种内部构件尤其具有低载流能力、高温度漂移和芯片上构造空间的高成本。


技术实现要素：

12.在该背景下，本发明的目的是提出一种用于将半导体元件与基板连接的键合连接机构，所述键合连接机构能够实现优化布局。
13.根据本发明，该目的通过一种半导体模块来实现，其具有至少一个半导体元件、基板和至少一个这种键合连接机构，其中，半导体元件和/或基板与至少一个键合连接机构连接，其中，至少一个键合连接机构具有芯和护套，护套包覆芯、特别是完全包覆芯，其中，由
第一金属材料制成芯(4)和由与第一金属材料不同的第二金属材料制成护套，并且其中，芯的第一金属材料具有比护套的第二金属材料更低的电导率，其中，至少一个键合连接机构配置为栅极电阻、分流器、rc滤波器中的电阻或保险丝。
14.此外，根据本发明，该目的通过具有至少一个半导体模块的变流器来实现。
15.此外，根据本发明，该目的通过至少一个键合连接机构作为半导体模块中的栅极电阻、作为分流器、作为rc滤波器中的电阻或作为保险丝的应用来实现，其中，至少一个键合连接机构具有芯和护套，护套包覆芯、特别是完全包覆芯，其中，由第一金属材料制成芯和由与第一金属材料不同的第二金属材料制成护套，并且其中，芯的第一金属材料具有比护套的第二金属材料更低的电导率。
16.此外，根据本发明，该目的通过至少一个键合连接机构用于半导体模块中的电流测量或温度确定的应用来实现，其中，至少一个键合连接机构具有芯和护套，护套包覆芯、特别是完全包覆芯，其中，由第一金属材料制成芯和由与第一金属材料不同的第二金属材料制成护套，并且其中，芯的第一金属材料具有比护套的第二金属材料更低的电导率。
17.下面关于键合连接机构所详述的优点和优选的设计方案在意义上能够转移到该半导体模块、该变流器和该应用。
18.本发明基于以下考量：通过以下方式优化半导体模块的布局，即将现有的键合连接机构用作为电阻，并例如取代外部电阻，由此节省结构空间。这种键合连接机构例如构造为键合线或键合带，并且具有芯和特别是完全包覆芯的护套，其中，由第一金属材料制成芯和由与第一金属材料不同的第二金属材料制成护套。护套的第二金属材料、也称为护套材料或基础材料尤其适合于：通过超声波焊接、例如通过超声波摩擦焊接与例如基板的和/或半导体元件的表面连接。例如，护套材料包含铝、铜或金。芯的第一金属材料具有比护套的第二金属材料低的电导率。特别地，芯的第一金属材料包含电阻合金，由此能够制造具有短键合线长度的大电阻，由此例如降低了寄生电感。通过由这种、尤其已经存在的键合连接机构来替代分立的外部组件(即例如栅极电阻、分流电阻或rc滤波器中的电阻)节省了结构空间并且能够实现布局的优化。此外，不需要附加的工艺步骤。特别地，所谓节省空间的结果，通过例如并联的键合连接机构替代分立的分流电阻能够实现对并联的半导体元件进行单独的电流测量。例如通过以下方式实现附加的空间节约：即构造为分流电阻的键合连接机构跨越其他的、尤其以结构化方式施加在基板上的导体。此外，这能够实现在优化布局时更大的自由度。此外，这种键合连接机构的应用能够实现电流测量和温度确定。例如通过测量被电流穿流的键合连接机构处的电压降来实现电流测量，其中，根据键合连接机构的已知的电阻，能够确定经过键合连接机构的电流。例如，通过测量被限定的电流流过的键合连接机构处的电压降并且由此借助于材料特定的换算系数来确定温度的方式来实现温度确定，。
19.另一实施方式提出：第一金属材料的电导率至多为第二金属材料的电导率的10％、特别是至多5％。这是有利的，因为能够以限定的方式在宽范围上变化键合连接机构的电阻。
20.另一实施方式提出：芯的第一金属材料具有0.5ms/m至20ms/m范围内、特别是0.5ms/m至4ms/m范围内的电导率。借助这种电导率，能够利用短键合线实现相对高的限定的电阻。
21.另一实施方式提出：芯的第一金属材料的电阻在-4℃至200℃的范围内具有
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0.1
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的温度系数。这种平坦的温度系数能够实现在大的温度范围上实现限定的电阻。
22.另一实施方式提出：芯包含泽兰宁(zeranin)、锰、康铜(constantan)或伊萨欧姆(isaohm)。这种电阻合金由于其平坦的温度系数能够在大的温度范围上实现限定的电阻。
23.另一实施方式提出：芯包含正温度系数热敏电阻。特别地，芯由铂制成。具有这种芯的键合连接机构适合于温度测量。
24.另一实施方式提出：芯的第一金属材料具有基本上线性的温度分布的电阻。当二阶和/或三阶温度系数比一阶温度系数的小至少100倍、特别是500倍，尤其存在电阻的线性温度曲线。例如，由resistherm(nife30)制造芯。通过这样构造的芯能够制造键合连接机构，能够通过长度和/或横截面几何形状来调节和限定键合连接机构的电阻，其中，电阻与键合连接机构的温度相关。
25.另一实施方式提出：芯的面积份额为键合连接机构的横截面积的至少90％。这是有利的，因为键合连接机构的电阻能够以限定的方式在宽的范围上变化。
附图说明
26.下面，根据附图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。
27.附图示出：
28.图1示出键合连接机构的第一设计方案的示意图，
29.图2示出具有并联半导体元件和构造为栅极电阻的键合连接机构的半导体模块的示意图，
30.图3示出具有rc滤波器的半导体模块的示意图，
31.图4示出具有构造为分流电阻的键合连接机构的半导体模块的示意图，
32.图5示出具有负载电流路径中的键合连接机构的并联的半导体元件的示意图，
33.图6示出具有在栅极路径中的键合连接机构的并联的半导体元件的示意图，并且
34.图7示出接合连接机构的第二设计方案的示意图。
具体实施方式
35.以下解释的实施例是本发明的优选的实施方式。在实施例中，实施方式的所描述的部件分别为本发明的、各个可彼此独立考虑的特征，所述特征分别也彼此独立地改进本发明进而也可单独地或以所示出的组合不同的组合视作为本发明的组成部分。此外，所描述的实施方式也能够通过已经描述的本发明特征中的其他特征来补充。
36.相同的附图标记在不同的图中具有相同的含义。
37.图1示出键合连接机构2的第一设计方案的示意图，键合连接机构例如构造为具有圆形横截面的键合线。在左侧绘出键合线的横截面，在右侧绘出键合线的纵截面。接合线具有芯4和完全包覆芯4的护套6，其中，芯4由第一金属材料制成，并且护套6由不同于第一金属材料的第二金属材料制成。芯4的面积份额为键合线的横截面积的至少90％，其中，键合线的直径d处于125μm至500μm的范围内。外套的厚度s最大为15μm。
38.第二金属材料、也称为护套材料或基础材料，配置用于建立半导体元件与表面、特
别是基板的表面的导电连接。这种键合连接例如通过超声波焊接、特别是通过超声波摩擦焊接来建立，其中，护套材料例如包含铝、铜或金。芯4的第一金属材料具有比护套材料更低的电导率，其中，第一金属材料的电导率为护套材料的电导率的至多10％、尤其是至多5％。特别地，芯4的第一金属材料具有限定的电阻，其中，第一金属材料的电导率在0.5ms/m至20ms/m的范围内，尤其在从0.5ms/m至4ms/m的范围内。图1中的键合线例如能够借助于拉丝来制作。
39.图2示出具有并联的半导体元件10和构造为栅极电阻的键合连接机构2的半导体模块8的示意图，所述键合连接机构将并联的半导体元件10与基板12连接。特别地，构造为栅极电阻的键合连接机构2与基板12的结构化的金属化部14连接。例如，半导体元件10分别构造为晶体管、特别是构造为绝缘栅双极晶体管(igbt)、构造为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或构造为场效应晶体管。公共的馈线15经由相应的键合连接机构2与相应的半导体元件10的栅极触点16连接。另外的键合线18设置用于使半导体元件10、尤其发射极触点19与基板12进一步接触。
40.为了在限定的温度范围上实现恒定的电阻，键合连接机构2的芯4由电阻合金制成。例如，芯4的第一金属材料的电阻在-40℃至200的范围内具有
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的温度系数。电阻合金包含例如泽兰宁、锰、康铜或伊萨欧姆。通过键合连接机构2形成的栅极电阻能够被单独地适配，例如通过键合连接机构2的长度和/或横截面几何形状，特别是对于并联半导体元件10。
41.替代地，键合连接机构2的芯4由具有高的、特别是限定的温度系数的材料制成。这种高的温度系数在20℃时处于3
·
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至10
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的范围内。特别地，芯4的第一金属材料具有带有基本线性温度曲线的电阻。例如，芯4包含正温度系数热敏电阻，例如铂或resistherm(nife30)。通过这样构造的芯4能够制造键合连接机构2，该键合连接机构的电阻可通过长度和/或横截面几何形状来调节和限定，其中，电阻与键合连接机构2的温度相关。由于在半导体元件10发热时构造为栅极电阻的键合连接机构2也发热，并且键合连接机构2的电阻随着温度升高而增加，所以半导体元件10由于电流反馈而更慢地切换并且造成负载电流减小。因此能够通过使用接合连接机构2作为栅极电阻来实现负载电流的平衡化，其中，接合连接机构2具有由具有高温度系数的材料构成的芯4。图2中的键合连接机构2的进一步实施方案对应于图1中的实施方案。
42.图3示出具有rc滤波器20的半导体模块8的示意图，其中，rc滤波器20的电阻22通过(特别是五个)并联的接合连接机构2实现，而rc滤波器20的电容24构造为缓冲电容器。图3中的半导体模块8和键合连接机构2的另外的实施方案对应于图2中的实施方案。
43.图4示出具有构造为分流电阻26的键合连接机构2的半导体模块8的示意图。通过这种分流电阻26节省了结构空间，使得能够以节省空间的方式实现并联的半导体元件10的单独电流测量。如图2中所描述的那样，键合连接机构2的芯4由具有高的、特别是限定的温度系数的材料构成。例如，芯4包含正温度系数热敏电阻，例如铂或resistherm(nife30)。通过键合连接机构2的负载电流相关的发热得到反馈：即流过分流电阻26的键合连接机构2的负载电流越大，其温度越高。由于键合连接机构2的电阻随着温度而增加，所以负载电流被限制。在半导体元件10并联连接的情况下，如果如此形成的分流电阻26与相应的半导体元件10串联连接，则能够优化平衡的负载电流分布。例如通过将半导体元件10与分流电阻26
的键合连接机构2直接键合，使得通过分流电阻26热耦联于相应的半导体元件10，来加强反馈。图4中的半导体模块8和键合连接机构2的另外的实施方案对应于图2中的实施方案。
44.图5示出负载电流路径中的具有键合连接机构2的并联的半导体元件10的示意图，其中，并联的半导体布置在并联的半导体模块8上。如图2中所描述的那样，键合连接机构2的芯4由具有高的、特别是限定的温度系数的材料构成。例如，芯4包含正温度系数热敏电阻，例如铂或resistherm(nife30)。因此，通过键合连接机构2在并联的半导体模块8的负载电流路径中分别形成温度相关的电阻，这导致在半导体模块8之间的平衡。在负载电流已知的情况下，能够借助测量设备28确定温度。温度确定尤其通过以下方式进行：即在负载电流已知的情况下测量键合连接机构2处的电压降，并且由此借助于材料特定的换算系数确定温度。可选地，键合连接机构2构造为保险丝，保险丝在高溢流的情况下被强烈加热并且变为非常高的电阻或烧断。图5中的半导体模块8和键合连接机构2的另外的实施方案对应于图2中的实施方案。
45.图6示出在栅极路径中的具有键合连接机构2的并联的半导体元件10的示意图。类似于图5，通过接合装置2在并联的半导体模块8的栅极路径中分别形成温度相关的电阻，这导致半导体模块8之间的平衡。在栅极电流已知的情况下，能够借助于测量设备28如图5中所描述的那样来确定温度。图6中的半导体模块8和键合连接机构2的另外的实施方案对应于图5中的实施方案。
46.图7示出键合连接机构2的第二设计方案的示意图，所述键合连接机构例如构造为具有矩形横截面的键合带。左侧示出键合带的横截面，在右侧示出粘合带的纵截面。类似于图1，键合带具有芯4和完全包覆芯4的护套6，其中，芯4由第一金属材料制成，并且护套6由不同于第一金属材料的第二金属材料制成。替代地，键合带的护套6不完全包覆芯4。例如，键合带的护套6在矩形横截面的相对置的较长的侧处与芯4连接。在该设计方案中，键合带的较短的侧面在键合过程中没有作用。芯4的面积份额为键合带的横截面积的至少90％，其中，例如键合带的宽度b为4mm，高度h为1mm。
47.综上所述，本发明涉及一种用于将半导体元件10与基板12连接的键合连接机构2。为了实现优化布局而提出：键合连接机构2具有芯4和包覆芯4、特别是完全包覆芯4的护套6，其中，由第一金属材料制成芯4和由与第一金属材料不同的第二金属材料制成护套6，并且其中，芯4的第一金属材料具有比护套6的第二金属材料更低的电导率。

技术特征：
1.一种半导体模块(8)，具有至少一个半导体元件(10)、基板(12)和至少一个键合连接机构(2)，其中，所述半导体元件(10)和/或所述基板(12)与所述至少一个键合连接机构(2)连接，其中，所述至少一个键合连接机构(2)具有芯(4)和护套(6)，所述护套包覆所述芯(4)、特别是完全包覆所述芯，其中，所述芯(4)由第一金属材料制成，并且所述护套(6)由与所述第一金属材料不同的第二金属材料制成，并且其中，所述芯(4)的所述第一金属材料具有比所述护套(6)的所述第二金属材料更低的电导率，其中，至少一个键合连接机构(2)配置作为栅极电阻、分流器、rc滤波器中的电阻或作为保险丝。2.根据权利要求1所述的半导体模块(8)，其中，所述第一金属材料的电导率至多为所述第二金属材料的电导率的10％、特别是至多5％。3.根据权利要求1或2中任一项所述的半导体模块(2)，其中，所述芯(4)的所述第一金属材料具有0.5ms/m至20ms/m范围内的、特别是0.5ms/m至4ms/m范围内的电导率。4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体模块(2)，其中，所述芯(4)的所述第一金属材料的电阻在-40℃至200℃的范围内具有
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的温度系数。5.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2)，其中，所述芯(4)包含泽兰宁、锰、康铜或伊萨欧姆。6.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体模块(2)，其中，所述芯(4)包含正温度系数热敏电阻。7.根据权利要求1至3中任一项或6所述的半导体模块(2)，其中，所述芯(4)的所述第一金属材料具有基本上线性的温度分布的电阻。8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(2)，其中，所述芯(4)的面积份额是所述键合连接机构(2)的横截面积的至少90％。9.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(8)，其中，至少一个键合连接机构(2)配置用于测量电流。10.根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(8)，其中，至少一个键合连接机构(2)配置用于确定温度。11.一种变流器，具有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的半导体模块(8)。12.至少一个键合连接机构(2)作为栅极电阻、分流器、rc滤波器中的电阻或半导体模块(8)中的保险丝的应用，其中，所述至少一个键合连接机构(2)具有芯(4)和护套(6)，所述护套包覆所述芯(4)、特别是完全包覆所述芯，其中，所述芯(4)由第一金属材料制成并且所述护套(6)由与所述第一金属材料不同的第二金属材料制成，并且其中，所述芯(4)的所述第一金属材料具有比所述护套(6)的所述第二金属材料更低的电导率。
13.至少一个键合连接机构(2)用于半导体模块(8)中的电流测量或温度确定的应用，其中，所述至少一个键合连接机构(2)具有芯(4)和护套(6)，所述护套包覆所述芯(4)、特别是完全包覆所述芯，其中，所述芯(4)由第一金属材料制成，并且所述护套(6)由与所述第一金属材料不同的第二金属材料制成，并且其中，所述芯(4)的所述第一金属材料具有比所述护套(6)的所述第二金属材料更低的电导率。

技术总结
本发明涉及一种半导体模块(8)，具有至少一个半导体元件(10)、基板(12)和至少一个键合连接机构(2)，其中，半导体元件(10)和/或基板(12)与至少一个键合连接机构(2)连接。为了实现优化布局而提出，键合连接机构(2)具有芯(4)和护套(6)，护套包覆芯(4)、特别是完全包覆芯，其中，芯(4)由第一金属材料制成和护套(6)由与第一金属材料不同的第二金属材料制成，并且其中，芯(4)的第一金属材料具有比护套(6)的第二金属材料更低的电导率，其中，至少一个键合连接机构(2)配置为栅极电阻、分流器、RC滤波器中的电阻或保险丝。的电阻或保险丝。的电阻或保险丝。


技术研发人员：菲利普
受保护的技术使用者：西门子股份公司
技术研发日：2021.10.13
技术公布日：2023/8/24