CN106169446A - 用于汽车应用中的插入件和半导体模块 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用于汽车应用中的插入件和半导体模块”。在半导体模块中使用的由硅制成的插入件，其中插入件具有用于布置功能半导体的上侧和下侧，沿着在上侧和下侧之间伸展的平面分成连接层和热层。对此构成插入件的表面的连接层具有网状物，所述网状物具有在表面上布置的接触垫用于连接在插入件的表面上布置的功能半导体，而热层不具有金属部并且插入件的由热层形成的下侧用于引出由功能半导体产生的热量。这种插入件的使用在用于汽车应用的半导体模块中实现。

Description

用于汽车应用中的插入件和半导体模块

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的主题的在半导体模块中使用的插入件以及具有根据权利要求6的主题的在汽车应用中使用的这种插入件的半导体模块。

背景技术

集成电路包含在单晶衬底（通常是硅）上或中的大量不同种类或相同有源和无源半导体部件以及连接的导体。对此半导体部件在一般集成电路中通常平面地布置，也就是，以2D技术布置。随着这种集成电路的功能增加的越来越小型化和提高在纯2D布置的情况下尽管部件和传导线变小但位置需求提高，集中考虑为了功能密度的提高增加的2.5D集成电路或者3D集成电路。

3D集成电路指的是由协调的单个芯片的垂直堆叠组成的集成电路。从外看起来像单片的电路，但是严格来说更确切地是混合电路，其比典型混合电路明显更强地集成。总的来说，希望利用该3D集成来实现在相同壳体基面的情况下集成电路的还要更高的功能性。穿通接触借助于硅穿通接触，其中采纳符号TSV(硅穿通孔)，连接3D集成电路的单独芯片平面。对此TSV在半导体技术中理解为通过硅衬底的由金属制成的大多垂直电连接，由此实现在3D集成的情况下部分芯片之间的电连接。

对此的备选变型是作为为所谓的2.5D集成方法硅插入件技术，其中芯片或芯片堆叠并排地在插入件上布置，其具有连接网状物包括TSV用于芯片或者芯片堆叠的彼此相连。背景希望，不同技术和制造商的半导体产品功能上可以在小空间上彼此电连接。主要应用领域是消费电子设备,在此特别是移动通信或在位置需求上具有极端要求的特殊应用。

下面简短描述根据现有技术的硅插入件的特性。通过使用标准CMOS制造过程(例如65nm技术)进行所谓的BEOL(BEOL:线后端)工艺步骤，以便在多个平面中通过金属部在硅中产生连接网状物。该连接网状物在到插入件的表面的相应接触垫结束。通过该接触垫不同制造商和技术的不同芯片通过使用通常的接触技术(例如微碰或铜柱)可以与功能半导体的相应接触结构连接或者插入件自己与通常有承载衬底相连。在此插入件集成TSV，以便还实现到承载衬底的直接节约位置的穿通接触。

从文献DE102007046021A1已知半导体布置，其具有带第一表面和第二表面的硅体，其中在硅体的表面的至少一个上布置至少为10µm的厚金属层，其中厚金属层用于结合厚结合线。

在文献US20070262387A1中描述用于在汽车应用中使用的半导体模块。对此半导体模块包括三层集成电路板，其由金属衬底电极，隔离衬底和冷却体组成，其通过焊接一体地连接，以及半导体功率设备，其与电路板的金属衬底电极的上侧连接。

已知解决方案针对不同功能的节约位置的集成，当然它没有解决不同承载功能的部件以鲁棒性上升的角度智能地彼此集成。换句话说,已知解决方案没有满足机动车中必须的可靠性和鲁棒性要求。

出于该原因在体积产品上分布的复杂的功能部分不提供机动车技术，这是因为结构和连接技术的相应接口不兼容于汽车加工链。

在至今的解决方案的使用中工艺缺陷通过花费大的智能系统补偿解决方案或捕获损失的机制平衡。这由于连接成本当时可条件性地在车辆补充段中实现。

发明内容

在此本发明的任务基于改善在汽车应用中使用的半导体模块。

这个任务通过具有权利要求1的特征的在半导体模块中使用的插入件以及通过具有权利要求6所述的包含这种插入件的半导体模块来解决。本发明的优选实施方式是从属权利要求的主题。

在半导体模块中使用的由硅制成的根据本发明的插入件，其中插入件具有用于布置功能半导体的上侧和下侧，其沿着上侧和下侧之间伸展的平面分成连接层和热层。对此构成插入件的表面的连接层具有网状物，其具有用于连接在插入件的表面上布置的功能半导体的在表面上布置的接触垫，而热层不具有金属部并且插入件的通过热层的下侧用于引出由功能半导体产生的热量。

对此功能半导体定义为具有有源功能和作为电路承载的插入件的半导体产品，其中在此插入件基于硅实现。

根据本发明的插入件因此不包含TSV，这导致较小加工成本、减小的机械应力传递、减小的在接触接口到功能半导体（例如微碰）的方向上的裂缝/裂纹可能性。此外根据本发明的插入件不包含在下侧和下侧上的接触垫，与小片附加（Die-Attach）材料和小片桨叶(Die-paddle)一起用作热接口。在具有暴露垫的半导体壳体中由于硅的良好热传导性这导致温度梯度的减少并且因此导致在总的结构中构造和连接技术的接口的较小负荷。

优选地为了改善产生的热量的引出，插入件的通过热层构成的下侧可具有金属化层。换句话说，金属化层可以施加到热层上，不但改善插入件的稳定性而且改善插入件的热传导性。

优选地在插入件的表面上布置与连接层的网状物连接的结合垫，其用于连接插入件到壳体针，也就是，外部接头。该连接通过一般线结合工艺实现。因为到壳体针的连接仅通过机械稳定插入件实现，所以机械敏感的功能半导体有线结合工艺退耦合。

此外优选地插入件的连接层具有ESD保护结构(ESD:静电放电)，其用于在插入件的上侧上连接功能半导体的屏蔽。优先在结合垫的附近布置地该有源ESD保护结构集成在插入件的连接层中，其可根据要求范围设计。由此还在使用现代功能半导体的情况下给出较高ESD强度的自由度，所述功能半导体根据技术和位置不提供这样的能力。这特别对于动态ESD和闩锁强度的角度在常规车辆运行条件下是重要的，其比纯装配取向的条件越来越更加重要。

此外优选地在插入件的连接层中集成另外的保护电路，其例如用于处理过电压和/或过电流。与ESD保护结构一起插入件因此包括芯片的特性。

用于汽车应用的根据本发明的半导体模块包括至少一个在小片桨叶上布置的插入件，其中在插入件的表面上布置至少一个功能半导体。使用开始解释的插入件作为插入件。

优选地至少一个插入件的由热层构成的下侧借助于小片附加材料与小片桨叶相连。由此由于硅的良好的热传导性实现热接口用于由功能半导体产生的热量的散发。

此外优选地在插入件的上侧上布置的功能半导体的至少一个布置在屏蔽罩中，其中屏蔽罩与连接层的ESD保护结构连接。

在汽车情景中具有总是更高的节拍频率的功能半导体的电磁辐射以及照射敏感性总是变得越来越重要。这此时在已知的解决方案中导致PCB平面(PCB:印刷电路板)上的复杂、昂贵并且空间密集的EMV补偿措施(EMV:电磁兼容性)。

通过使用提出的插入件可能的是构造功能半导体上的屏蔽（例如以罩形式）。这可以例如通过从MEMS制造(MEMS:微电机系统)已知的使用具有空腔区域的半导体进行。在此在原则上产生在边缘区域和穿通的金属平面中具有TSV的另外的插入件并且在中间创造空腔。接着该插入件根据倒装芯片原理通过主插入件的接触接口接触，使得包围所有或部分的功能半导体。而通过相应接触网状物可以执行完全关于功能半导体进行的对物质或信号的连接。另外的副作用是，还可以保护敏感功能半导体不受不同模型物质（尤其是填充材料）的外来影响。

优选地半导体模块布置在浇铸材料中，还称为模型复合物或模型物质。它决定模型物质中的插入件的附加的保护。

此外优选地半导体模块用结合线通过在插入件的上侧上布置的结合垫与外部接头（也就是，壳体针）相连。这样由结合线实施的力由功能半导体防止。

下列优点用在开始解释的根据本发明的插入件技术实现:

-作为半导体模块的一部分提供外部ESD保护结构而不改变在消费功能半导体中的标准解决方案，这相对来自应用的ESD事件是便宜并且安全的解决方案，

-通过插入件上的另外的功能半导体的模块化集成提供在汽车中必须的功能，其自身不与消费功能半导体一起。在过电压和电压不足事件以及可能的附加ESD保护电路的情况下用于信号的可信度评估的信号控制器和用于稳定供电的供电稳定器属于此，

-退耦合包装和功能半导体之间的热机械力传递，

-改善不同功能半导体(多芯片包装)的热耦合用于减少包装或者模型中的温度梯度并且因此随之进行的参数漂移的减少，

-通过插入件和功能半导体的引线框之间的结合退耦合线结合工艺，由此避免机械敏感的结构，

-避免涉及不同的BGA(BGA:球格阵列（ball grid array）)的故障模式，这是因为保护了包装中的连接，尤其是因为机械退耦合焊接球和PCB，

-在使用消费半导体的情况下在经常改变的情况下进行改变管理，其方式为通过插入件布线中的首要改变避免或减小PCB平面上的布局改变，

-关于继续使用经典包装构造方式还用于新技术的兼容性，

-有源/无源屏蔽罩的附加的集成的简化可能性并且改善还可应用于HF部件的窄空间上的EMV性能，

-半导体模块平面中的系统平面的不同冗余设计的节约空间的传递，以及

-具有在模型复合物中插入件的相应保护的附加的包容。

通过上述概念的转变可以实现来自在汽车领域中的消费电子设备领域的明显必要功能的更可靠并且成本高效的集成。

附图说明

本发明的优选实施方式如下根据附图解释。在此示出

图1是具有插入件的半导体模块的截面图。

具体实施方式

半导体模块1具有作为中央元件的由硅制成的插入件(2)，其中插入件2具有构成插入件2的上侧的连接层3和构成下侧插入件2的热层4。因为插入件2是平面结构，其厚度明显小于其宽度和长度，插入件基本通过其上侧和下侧限定。形式上注意，在此可以限定在连接层3和热层4之间的分离平面，其平行于插入件2的内部中的上侧和下侧延伸。

在插入件2的上侧上布置功能半导体5，6，7和8，其中功能半导体5和7布置在功能半导体6上并且功能半导体5，6和7之间的连接例如借助于µBumps（µ突起）12建立。

连接层3具有网状物11，其建立直接在插入件2的上侧上布置的功能半导体6和8之间的连接，其中具有网状物11的该功能半导体6和7之间的连接例如借助于BGA(球格阵列)产生。

在半导体模块1的外部接头17和连接层3的网状物11之间的连接通过结合垫10建立，其仅布置在插入件2的表面上并且通过它借助于结合线15以一般的方式实现外部接头17和网状物11之间的连接。

此外在连接层3中相应地集成有源ESD保护结构9，其可根据要求范围设计。由此较高ESD强度的自由度还在使用现代功能半导体（其技术和空间有关地不提供这样的能力）的情况下给出。这特别对于动态ESD和闩锁强度的方面在常规车辆运行条件下是重要的，其变得比纯装配取向的条件越来越重要。

因为具有总是更高节拍频率的功能半导体5，6，7，8的电磁辐射以及照射敏感性总是更加重要，插入件2具有该可能性，例如罩形式的屏蔽19通过相应功能半导体5，6和7构造。通过插入件2的连接层3的网状物11可以完成物质或信号的连接，其完全关于功能半导体5，6，7进行。

另一副作用在于，敏感功能半导体5，6，7还附加地可以被保护不受不同模型物质16，尤其是填充材料的外来影响。

为了实现功能半导体5，6，7和8的热量的畅通的热量引出，插入件的热层4不具有金属部组件。换句话说，插入件2的热层4无金属并且不具有网状物或TSV。硅插入件2的热层4借助于小片附加13与小片桨叶14相连，以便实现热量传输。

为了改善热量传导并且实现稳定性的提高，热层4可以设置具有金属化层(无示出)的在插入件2的下侧上，使得小片附加13连接在热层4上布置的金属化层与小片桨叶14。

具有插入件2，小片桨叶14，在插入件上布置的功能半导体5，6，7，8，屏蔽19，结合线和外部接头17的半导体模块1以一般的方式布置在由模型复合物16制成的壳体18中。

附图标记列表

1 半导体模块

2 插入件

3 连接层插入件

4 热层插入件

5 功能半导体

6 功能半导体

7 功能半导体

8 功能半导体

9 ESD保护结构

10 结合垫

11 网状物

12 µBumps

13 小片附加

14 小片桨叶

15 结合线

16 模型复合物

17 外部接头

18 壳体

19 屏蔽

Claims (10)

1. 在半导体模块(1)中使用的由硅制成的插入件(2)，其中所述插入件(2)具有上侧和下侧，其中所述上侧用于布置功能半导体，

其特征在于

所述插入件(2)沿着在所述上侧和所述下侧之间伸展的平面划分成连接层(3)和热层(4)，其中

形成插入件(2)的表面的连接层(3)具有网状物(11)，所述网状物(11)具有在所述表面上布置的接触垫用于连接在插入件(2)的表面上布置的功能半导体(5，6，7，8)，

所述热层(4)不具有金属部，以及

所述插入件(2)的由所述热层(4)构成的下侧用于引出由所述功能半导体(5，6，7，8)产生的热量。

2.如权利要求1所述的插入件(2)，其特征在于在所述插入件(2)的表面上布置与连接层(3)的网状物连接的结合垫(10)，其用于将插入件(2)连接到外部接头(17)。

3.如权利要求1或2所述的插入件(2)，其特征在于插入件(2)的所述连接层(3)具有ESD保护结构(9)，其用于连接在插入件(2)的上侧上的所述功能半导体的屏蔽(19)。

4.如上述权利要求之一所述的插入件(2)，其特征在于在插入件(2)的连接层(3)中集成保护电路，尤其是用于处理过电压和/或过电流。

5.如上述权利要求之一所述的插入件(2)，其特征在于插入件(2)的由热层(4)构成的下侧具有用于改善热量传导的金属化层。

6.用于与至少一个在半导体芯片上布置的插入件(2)一起自动使用的半导体模块(1)，其中在所述插入件(2)的表面上布置至少一个功能半导体(5，6，7，8)，其特征在于使用如上述权利要求之一所述的插入件(2)。

7.如权利要求6所述的半导体模块(1)，其特征在于至少一个插入件(2)的由热层(4)构成的下侧借助于小片附加材料(13)与小片桨叶(14)相连接。

8.如权利要求6或7所述的半导体模块(1)，其特征在于至少一个在插入件(2)的上侧上布置的功能半导体(5，6，7，8)布置在屏蔽罩(19)中，其中所述屏蔽罩(19)与连接层(3)的ESD保护结构(11)相连。

9.如权利要求6-8中任一项所述的半导体模块(1)，其特征在于所述半导体模块(1)布置在也称为模型复合物的形成壳体(18)的浇铸材料(16)中。

10.如权利要求6-9中任一项所述的半导体模块(1)，其特征在于具有结合线(15)的所述半导体模块(1)通过在插入件(2)的上侧上布置的结合垫(10)与外部接头(17)相连接。