具有绝缘衬底的多个半导体器件的模块组件的制作方法

所公开的技术涉及半导体电子器件和模块。

背景技术：

1、目前，典型的功率半导体器件（包括诸如晶体管、二极管、功率mosfet和绝缘栅双极晶体管（igbt）的器件）用硅（si）半导体材料制造。最近，宽带隙材料（例如，iii-n）由于其优异的属性而被考虑用于功率器件。iii族氮化物或iii-n半导体器件（诸如氮化镓（gan）器件）现在作为有吸引力的候选者出现，以承载大电流、支持高电压并且提供具有快速切换时间和低功率损耗的非常低的导通电阻。为了降低gan功率器件的成本并与现有硅功率器件竞争，通常在导电或半导电硅衬底（即，硅上gan）上制造gan功率器件，其易于与现有硅制造设施兼容。

2、包含制造在导电或半导电衬底（诸如硅）上的两个或更多个半导体器件的电子模块通常组装在具有隔离层（通常是陶瓷层，诸如aln）的直接接合的铜板（即，dbc）或印刷电路板（pcb）上，以确保半导体器件之间的电隔离。对于模块的正确操作，需要这种电隔离。

3、图1中示出了现有技术的截面图。图1的模块100包括模块封装盖10，其可以是塑料或金属封装盖。模块100包括由高导热材料（例如，金属，诸如铜、铝、镍）形成的结构封装基底11。封装盖10和结构封装基底11形成封装组件以保护内部电子部件免受环境因素的影响。

4、模块100包括板12，其可以是例如直接接合铜（dbc）衬底或印刷电路板（pcb），其可以是模块的基底衬底。通常，封装基底11可以被认为包括附接到封装盖10的层，以及远离板12的任何层（但不是板12本身或更靠近板12的层）。

5、为了简单起见，模块100的板12是dbc衬底。通过在高温熔化和扩散工艺中将纯铜直接结合到陶瓷绝缘体（诸如aln或al2o3）来形成dbc衬底。dbc衬底12包括在底部金属层13（例如，铜或镍）和顶部金属层（例如，铜或镍）之间的绝缘层14（例如，陶瓷、aln或al2o3）。顶部金属层被图案化为至少第一部分15、第二部分16、第三部分17、第四部分18和第五部分19。部分15-19各自通过穿过dbc 12的顶部金属层形成的沟槽25彼此电隔离。

6、模块100还包括第一半导体器件20和第二半导体器件30，其中器件20或30可以是例如垂直或横向fet、igbt、mosfet、jfet、hemt或其他适当的器件。在该实施例中，图1所示的第一半导体器件20和第二半导体器件30是横向器件。第一器件20形成在导电或半导体衬底21（例如，si、sic或gan）上。第一器件20包括第一源电极22和第一漏电极23，并且利用粘附层24（例如，焊料、环氧树脂或焊膏）附接到顶部金属层的第二部分16。

7、模块100还包括第二半导体器件30，其可以是例如横向或垂直fet、igbt、mosfet、jfet、hemt或其他适当的器件。第二器件30形成在导电或半导电衬底31（例如，si、sic或gan）上。第二器件30包括第二源电极32和第二漏电极33，并且利用粘附层34（例如，焊料、环氧树脂或焊膏）附接到顶部金属层的第四部分18。

8、连接器41将第一漏电极22电连接到顶部金属层的第一部分15。连接器42将第一源电极23电连接到顶部金属层的第三部分17。连接器43将第二漏电极32电连接到顶部金属层的第三部分17。连接器44将第二源电极33电连接到顶部金属层的第五部分19。为了确保第一半导体器件20和第二半导体器件30的电隔离，绝缘层14用于将器件与模块100内的导热结构封装基底11隔离和分离。绝缘层14的厚度通常可以大于200μm厚。

技术实现思路

1、本文描述了用于横向器件（例如，gan hemt功率晶体管）的集成设计，其中绝缘衬底用于将器件集成到部件封装或电子模块中以改善模块的热性能。术语“器件”当不需要区分它们时通常用于任何晶体管或开关或二极管。

2、在第一方面，描述了一种电子部件。电子部件包括电子部件封装，该电子部件封装包括高导热封装基底。该部件还包括第一横向iii-n器件，第一横向iii-n器件包括第一绝缘衬底，第一横向iii-n器件包括第一侧和第二侧，其中第一iii-n材料结构在第一横向iii-n器件的第一侧。第二横向iii-n器件包括第二绝缘衬底，第二横向iii-n器件包括第一侧和第二侧，其中第二iii-n材料结构在第二横向iii-n器件的第一侧。第一横向iii-n器件的第二侧直接地安装并物理地附接到导热封装基底，并且第二横向iii-n器件的第二侧直接地安装并物理地附接到导热封装基底。

3、在第二方面，描述了一种电子模块。模块包括封装、高导热封装基底和安装到封装基底的衬底。衬底包括绝缘层上的第一金属层，第一金属层包括第一部分、第二部分和第三部分。衬底还包括第一开口和第二开口，其中在第一开口和第二开口中去除第一金属层和绝缘层以暴露封装基底的顶面，并且第一半导体器件安装到在第一开口中的封装基底，并且第二半导体器件安装到在第二开口中的封装基底。

4、在第三方面，描述了一种电子模块。电子模块包括封装、导热封装基底、高侧开关、低侧开关、高电压端子、输出端子和接地端子。高侧开关包括第一iii-n耗尽型晶体管和第一增强型晶体管，并且低侧开关包括第二iii-n耗尽型晶体管和第二增强型晶体管。第一iii-n耗尽型晶体管的漏电极电连接到高电压端子，第一增强型晶体管的源电极电连接到输出端子，第二iii-n耗尽型晶体管的漏电极电连接到输出端子，并且第二增强型晶体管的源电极电连接到接地端子，其中第一和第二iii-n耗尽型晶体管的衬底直接地物理地附接到高导热封装基底。

5、本文中所描述的器件、晶体管及模块中的每一者可包含以下特征中的一个或多个。绝缘衬底可以是蓝宝石衬底。第一绝缘衬底和第二绝缘衬底包括背金属层，并且背金属层使用导热焊料、导热环氧树脂或导热焊膏附接到封装基底。印刷电路板（pcb）可以在部件封装内，pcb包括绝缘层、第一侧和与第一侧相对的第二侧，其中pcb的第一侧包括物理地附接到封装基底的第一金属层。pcb的第二侧可以包括第二金属层，并且第二金属层包括至少第一部分、第二部分和第三部分，其中第一部分、第二部分和第三部分各自与其他部分电隔离。第一横向iii-n器件的漏电极电连接到第一部分，第二横向iii-n器件的漏电极电连接到第二部分，第一横向iii-n器件的源电极电连接到第二部分，并且第二横向iii-n器件的源电极电连接到第三部分。第一垂直mosfet器件，其中mosfet器件的漏电极电连接并且物理地附接到第一横向iii-n器件的源电极。第二垂直mosfet器件，其中第二mosfet的漏极电连接并且物理地附接到第二iii-n器件的源极。电阻器、电容器或ic安装到pcb的第二侧。pcb与封装基底物理地隔离。该器件可以是击穿电压大于600v并且导通电阻小于15mohm的高电压器件。第一金属层的第一部分连接到高电压端子，第一金属层的第二部分连接到输出端子，并且第一金属层的第三部分连接到接地端子。电子模块的高侧（第一半导体器件）和低侧（第二半导体器件）开关可以形成半桥电路。高侧开关和低侧开关可以被封装在单个电子封装中。第一和第二iii-n耗尽型晶体管是横向gan hemt晶体管。第一和第二增强型晶体管是垂直硅mosfet晶体管。

6、如本文所使用的，“混合增强模式电子器件或部件”或简称为“混合器件或部件”是由耗尽模式晶体管和增强模式晶体管形成的电子器件或部件，其中耗尽模式晶体管与增强模式晶体管相比能够具有更高的操作和/或击穿电压，并且混合器件或部件被配置为类似于具有与耗尽模式晶体管一样高的击穿和/或操作电压的单个增强模式晶体管来操作。也就是说，混合增强模式器件或部件包括具有以下属性的至少3个节点。当第一节点（源极节点）和第二节点（栅极节点）保持在相同电压时，混合增强模式器件或部件可以阻挡相对于源极节点施加到第三节点（漏极节点）的正高电压（即，大于增强模式晶体管能够阻挡的最大电压的电压）。当栅极节点相对于源极节点保持在足够正的电压（即，大于增强型晶体管的阈值电压）时，当相对于源极节点将足够正的电压施加到漏极节点时，电流从源极节点传递到漏极节点或从漏极节点传递到源极节点。当增强型晶体管是低电压器件并且耗尽型晶体管是高电压器件时，混合部件可以与单个高电压增强型晶体管类似地操作。耗尽型晶体管的击穿和/或最大工作电压可以是增强型晶体管的击穿和/或最大工作电压的至少两倍、至少三倍、至少五倍、至少十倍或至少二十倍。

7、如本文所用，术语iii-氮化物或iii-n材料、层、器件等是指由根据化学计量式bwalxinygazn的化合物半导体材料构成的材料或器件，其中w+x+y+z为约1，其中0≤w≤1,0≤x≤1,0≤y≤1和0≤z≤1。iii-n材料、层或器件可以通过直接地生长在合适的衬底上（例如，通过金属有机化学气相沉积）或生长在合适的衬底上、与原始衬底分离并结合到其他衬底来形成或制备。

8、如本文所使用的，如果两个或更多个触点或其他项（诸如导电通道或部件）通过足够导电的材料连接，则它们被称为“电连接”，以确保每个触点或其他项处的电势旨在在任何偏置条件下始终相同，例如大约相同。

9、如本文中所使用，“阻断电压”是指晶体管、器件或部件在跨晶体管、器件或部件施加电压时防止显著电流（例如在常规传导期间大于操作电流的0.001倍的电流）流过晶体管、器件或部件的能力。换句话说，当晶体管、器件或部件阻断跨其上施加的电压时，穿过晶体管、器件或部件的总电流将不大于常规传导期间的操作电流的0.001倍。具有大于该值的关断状态电流的器件表现出高损耗和低效率，并且通常不适合于许多应用，尤其是功率开关应用。

10、如本文中所使用，“高电压器件”（例如，高电压开关晶体管、hemt、双向开关或四象限开关（fqs））是针对高电压应用优化的电子器件。也就是说，当器件关断时，它能够阻断高电压，诸如约300v或更高、约600v或更高、或约1200v或更高，并且当器件导通时，它具有足够低的导通电阻（ron）以用于使用它的应用，例如，当大量电流通过器件时，它经历足够低的传导损耗。高电压器件可至少能够阻断等于高电压供应的电压或其用于的电路中的最大电压。高电压器件可以能够阻断300v、600v、1200v、1700v、2500v或应用所需的其他合适的阻断电压。换句话说，高电压器件可以阻断0v和至少vmax之间的所有电压，其中vmax是可以由电路或电源供应的最大电压，并且vmax可以例如是300v、600v、1200v、1700v、2500v或应用所需的其他合适的阻断电压。对于双向或四象限开关，当开关断开（±vmax，诸如±300v或±600v、±1200v等）时，阻断电压可以具有小于某个最大值的任何极性，并且当开关接通时，电流可以在任一方向上。

11、如本文所用，术语“上方”、“下方”、“之间”和是指一个层相对于其他层的相对位置。因此，例如，设置在另一层上方或下方的一个层可以与另一层直接地接触，或者可以具有一个或多个中间层。此外，设置在两个层之间的一个层可以与两个层直接地接触，或者可以具有一个或多个中间层。相反，第二层“上”的第一层与该第二层接触。另外，假设相对于衬底执行操作而不考虑衬底的绝对定向，提供一个层相对于其它层的相对位置。

12、如本文所用，电极是指器件或晶体管内连接到器件的源极、栅极或漏极的金属层。诸如“源极焊盘、漏极焊盘或栅极焊盘”的“焊盘”是指来自半导体材料的电极的最上面的未钝化部分，其用于例如利用焊料、环氧树脂、引线键合和/或金属夹将器件或晶体管电连接到封装。

13、如本文所用，具有高热导率的材料被定义为具有大于1（一）的热导率的材料，如以瓦特每米开尔文测量。

14、在附图和下面的描述中阐述了本说明书中描述的主题的一个或多个公开的实施方式的细节。附加特征和变型也可以包括在实施方式中。根据说明书、附图和权利要求，其他特征、方面和优点将变得显而易见。

技术特征：

1.一种电子部件，包括：

2.根据权利要求1所述的部件，其中，背金属层设置在所述第一横向iii-n器件和所述第二横向iii-n器件的所述第二侧，并且所述背金属层使用导热焊料、导热环氧树脂或导热焊膏附接到所述导热封装基底。

3.根据权利要求1所述的部件，其中，所述第一绝缘衬底和所述第二绝缘衬底是具有大于50μm的厚度和大于1200v的击穿电压的蓝宝石衬底。

4.根据权利要求1所述的部件，进一步包括所述电子部件封装内的印刷电路板（pcb），所述pcb包括绝缘层、第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中，所述pcb的所述第一侧包括物理地附接到所述封装基底的第一金属层。

5.根据权利要求4所述的部件，其中，所述pcb的所述第二侧包括第二金属层；并且

6.根据权利要求4所述的部件，还包括第一垂直mosfet器件，其中，所述第一垂直mosfet器件的漏电极电连接到并且物理地附接到所述第一横向iii-n器件的源电极。

7.根据权利要求6所述的部件，还包括第二垂直mosfet器件，其中，所述第二垂直mosfet器件的漏电极电连接到并且物理地附接到所述第二横向iii-n器件的源电极。

8.根据权利要求7所述的部件，其中，所述pcb的所述第二侧包括第二金属层；并且

9.根据权利要求5所述的部件，还包括安装到所述pcb的所述第二侧的电阻器、电容器或集成电路。

10.根据权利要求1所述的部件，进一步包括所述电子部件封装内的印刷电路板（pcb），所述pcb包括绝缘层、第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中，所述pcb与所述封装基底物理地隔离。

11.根据权利要求10所述的部件，还包括安装到所述pcb的所述第二侧的电阻器、电容器或集成电路以及安装到所述pcb的所述第一侧的电阻器、电容器或集成电路。

12.一种电子模块，包括：

13.根据权利要求12所述的电子模块，其中，所述第一半导体器件的漏电极电连接到所述第一金属层的所述第一部分，所述第一半导体器件的源电极电连接到所述第一金属层的所述第二部分，所述第二半导体器件的漏电极电连接到所述第一金属层的所述第二部分，并且所述第二半导体器件的源电极电连接到所述第一金属层的所述第三部分。

14.根据权利要求13所述的电子模块，其中，所述第一金属层的所述第一部分连接到高电压端子，所述第一金属层的所述第二部分连接到输出端子，并且所述第一金属层的所述第三部分连接到接地端子。

15.根据权利要求14所述的电子模块，其中，所述第一半导体器件和所述第二半导体器件形成半桥电路。

16.根据权利要求13所述的电子模块，其中，所述第一半导体器件和所述第二半导体器件是横向iii-n晶体管，并且所述晶体管的iii-n材料结构形成在蓝宝石衬底上方。

17.根据权利要求12所述的电子模块，还包括第三半导体器件和第四半导体器件，其中，所述第三半导体器件的漏电极安装到所述第一半导体器件的源电极，并且所述第四半导体器件的漏电极安装到所述第二半导体器件的源电极；并且

18.根据权利要求17所述的电子模块，其中，所述第一金属层的所述第一部分连接到高电压端子，所述第一金属层的所述第二部分连接到输出端子，并且所述第一金属层的所述第三部分连接到接地端子。

19.根据权利要求18所述的电子模块，其中，所述第一半导体器件和所述第二半导体器件形成半桥电路。

20.根据权利要求17所述的电子模块，其中，所述第一半导体器件和所述第二半导体器件是横向iii-n晶体管，所述晶体管的iii-n材料结构形成在蓝宝石衬底上方，并且所述第三半导体器件和所述第四半导体器件是垂直硅mosfet晶体管。

21.一种电子模块，包括：

22.根据权利要求21所述的电子模块，其中，所述第一iii-n耗尽型晶体管和所述第二iii-n耗尽型晶体管的衬底是蓝宝石衬底。

23.根据权利要求22所述的电子模块，其中，所述高侧开关和所述低侧开关形成半桥电路。

24.根据权利要求23所述的电子模块，其中，所述第一iii-n耗尽型晶体管和所述第二iii-n耗尽型晶体管是横向gan hemt晶体管。

25.根据权利要求24所述的电子模块，其中，所述第一增强型晶体管和所述第二增强型晶体管是垂直硅mosfet晶体管。

26.根据权利要求25所述的电子模块，其中，所述第一增强型晶体管的漏极直接地物理地附接到所述第一iii-n耗尽型晶体管的源极，并且所述第二增强型晶体管的漏极直接地物理地附接到所述第二iii-n耗尽型晶体管的源极。

技术总结
一种电子部件，包括电子部件封装，该电子部件封装包括高导热封装基底。该部件还包括第一横向III‑N器件，该第一横向III‑N器件包括第一绝缘衬底，第一横向III‑N器件包括第一侧和第二侧，其中第一III‑N材料结构在第一横向III‑N器件的第一侧。第二横向III‑N器件包括第二绝缘衬底，第二横向III‑N器件包括第一侧和第二侧，其中第二III‑N材料结构在第二横向III‑N器件的第一侧。第一横向III‑N器件的第二侧直接地安装并物理地附接到导热封装基底，并且第二横向III‑N器件的第二侧直接地安装并物理地附接到导热封装基底。

技术研发人员：戴维德·比西,吉塔克·古普塔,细田勉,乌梅什·米什拉
受保护的技术使用者：创世舫科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23