CN100341142C - 双金属与陶瓷组成的功率半导体及其制造方法 - Google Patents

双金属与陶瓷组成的功率半导体及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种功率半导体，尤指一种利用双金属与陶瓷为基材组成的功率半导体结构。该功率半导体主要是将预设有容置槽的陶瓷基板表面金属化，并且将延伸有引脚的两片金属基板分别置于陶瓷基板两侧后，将芯片置入陶瓷基板的容置槽，使金属基板与陶瓷基板共烧结，即可构成一双金属与陶瓷组成的功率半导体构造。本发明的陶瓷基板的热传导效率较环氧树脂佳，封存的热能也大为降低，而且两片金属基板的散热面积最少为传统的两倍，藉此可使本发明双金属与陶瓷共烧结的功率半导体得以长期使用于高温环境中，并增加使用寿命。

Description

双金属与陶瓷组成的功率半导体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种功率半导体，尤指一种利用双金属与陶瓷为基材所构成的功率半导体及其制造方法。
背景技术
举凡工业、家电、电力系统、交通、商业、航空、计算机通讯到军事用途，都可见到电力电子使用的踪迹，在电力电子技术领域中，常利用功率半导体组件来达到各种需求。图1所示即为一常见的功率半导体结构示意图，其功率半导体内部设有一由硅(或锗)为本质材料所制成的硅芯片10，并由硅芯片10向外延伸有电气引脚11，同时于硅芯片10外部以非导电材质的环氧树脂20进行塑料封装(又称封胶或灌胶制程)，进而利用电气引脚11构成整体功率半导体与电气电路的接续。
上述功率半导体于实际运作时，会产生高温，进而影响功率半导体的运作状态；也因此，一般功率半导体组件多会预先在环氧树脂20的表面固设一由铜质材料所制成的导热板30，使导热板30与硅芯片10相互连接，以由导热板30增加与空气的热交换效率，进而达到降低功率半导体温度的目的。
但是，功率半导体运作时产生的热能传达至封装表层的环氧树脂20时，由于封装表层的环氧树脂20导热性差，因此在长期使用下，环氧树脂20会吸收热能而将热能封存于功率半导体内不易逸散，此时容易造成功率半导体整体过热而无法正常运作，同时缩短功率半导体的使用寿命。
且一般环氧树脂20的热传导效率为0.0032，就非导电材质的热传导率而言，并非一传导效率极佳的材质；换言之，当硅芯片10所产生的热量为定值时该整体功率半导体的热传导率是随着环氧树脂20的体积及导热板30的体积而改变，若将环氧树脂20以导热效率较佳的陶瓷(陶瓷的导热效率约为环氧树脂的25倍)替代时，将可提高导热效率，使功率半导体易于散热。
再者，若以陶瓷替代环氧树脂，可以先将陶瓷预型后再利用高温烧结技术与金属导热板结合，如此一来，其制程就无须如传统制程需经过塑料封装(又称封胶或灌胶)制程的繁杂流程及设备，可以简化制程，提高自动化生产效率。
除此之外，上述传统功率半导体是藉由暴露在外的单一片导热板30散热的；若能在功率半导体外侧的两面各设置一片导热板，将可使散热面积增加一倍，大幅提高散热效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双金属与陶瓷组成的功率半导体，藉由高温烧结技术使陶瓷基板表面金属化，使两侧分别与金属基板接合，以当电流通过金属基板，使硅芯片运作时，硅芯片所产生的热能，得以利用陶瓷基板迅速地传导至两片金属基板，相较于传统功率半导体构造，本发明的陶瓷基板的热传导效率较环氧树脂佳，封存的热能也大为降低，而且两片金属基板的散热面积最少为传统的两倍，藉此可使本发明双金属与陶瓷共烧结的功率半导体得以长期使用于高温环境中，并增加使用寿命。
本发明的另一目的在于提供一种双金属与陶瓷组成的功率半导体制造方法，制造时可以先将陶瓷预型后再利用高温烧结技术与金属导热板结合，如此一来，其制程就无须如传统制程需经过塑料封装的繁杂流程及设备可以简化制程，提高自动化生产效率。
本发明的目的是这样实现的：一种双金属与陶瓷组成的功率半导体，该功率半导体由硅芯片、陶瓷基板以及双金属基板所构成，其中：陶瓷基板上至少设有一用以容设硅芯片的容置槽，陶瓷基板两侧以高温烧结方式分别与双金属基板相接合，使硅芯片两侧分别与金属基板相互连接导通，同时各金属基板上皆延伸有引脚。
一种双金属与陶瓷组成的功率半导体制造方法，包含有下列步骤：
一、将至少具有一容置槽的陶瓷基板表面金属化，以做为与金属基板接合之用；
二、将设有引脚的两片金属基板预型，并印刷金属膏；
三、硅芯片取置，将硅芯片设置于其中一片金属基板上，使硅芯片位于陶瓷基板上的容置槽内，并排置另一片金属基板；
四、将两片金属基板与陶瓷基板以高温共烧结，并使硅芯片与陶瓷基板两侧的金属基板相连接。
所述的双金属与陶瓷组成的功率半导体制造方法，其中，陶瓷基板表面金属化的方法进一步包含有下列步骤：
一、导体印刷，是在陶瓷基板上印刷有利用银胶以及玻璃等元素所混合而成的导电膏；
二、高温烧结，使导电膏得以烧结于陶瓷基板上；
三、镀镍，用以防止导电膏的脱离；
四、镀锡，使陶瓷基板得以与金属基板进行烧结。
附图说明
图1为一习用功率半导体的示意图。
图2为本发明的示意图。
图3为本发明的分解示意图。
图4为本发明的剖面示意图。
图5为本发明的制造流程图。
图6为本发明陶瓷基板表面金属化的制造流程图。
图7为本发明陶瓷基板的第二实施例图。
具体实施方式
为了便于了解本发明的内容及所能达成的功效，下面配合图式详细说明。
本发明的双金属与陶瓷组成的功率半导体，请参阅图2至图4所示，该功率半导体主要由硅芯片10、陶瓷基板40以及两片金属基板50所构成，其中陶瓷基板40上预设有容置槽41，用以容置硅芯片10；而在陶瓷基板40两侧以高温烧结方式分别与双金属基板50相接合，使硅芯片10与双金属基板50相互连接导通，同时各金属基板50上皆延伸有引脚51，藉以构成一双金属与陶瓷组成的功率半导体。
由于双金属与陶瓷组成的功率半导体在应用上，当电流通过引脚51而令金属基板50间的硅芯片10运作时，相对地会产生热能，此时藉由双金属基板50间烧结的陶瓷基板40，将热能传导至两侧的金属基板50，而藉由两片金属基板50与空气进行热交换。
上述陶瓷基板40的热传导率大约为0.078，与环氧树脂比较(环氧树脂的热传导率为0.0032)，其热传导率为环氧树脂的24.375倍，因此本发明的功率半导体可藉由陶瓷基板40提高热传导效率，使封存于陶瓷基板40内部的热能大为降低，同时可透过两片金属基板50增加整体功率半导体与空气的热交换面积，如此可大幅提高热传导及散热效率，使双金属与陶瓷共烧结的功率半导体可长期使用于高温环境，并增加其使用寿命。
而该双金属与陶瓷组成的功率半导体的制造方法，请参阅图3及图5所示，主要包含有下列步骤：
一、陶瓷基板40的成型及表面金属化：陶瓷基板40上至少设有一容置槽41，并将陶瓷基板40表面金属化，以作为与金属基板50接合之用；
二、双金属基板50的预型及印刷金属膏：金属基板50上可配合使用需要设有引脚51，并且在双金属基板50表面印刷有金属膏52；金属膏52宜以锡膏为之，而引脚52则可视使用需要而配置直型或弯型(图中仅以直型引脚表示)；
三、硅芯片10取置：将硅芯片10设于其中一片金属基板50上，依序将陶瓷基板40及另一片金属基板50排置，使硅芯片10位于陶瓷基板40上的容置槽41内；
四、将双金属基板50与陶瓷基板40共烧结，使双金属基板50固定于陶瓷基板40的两侧，其烧结温度大略为350-400℃，以令硅芯片10得以与陶瓷基板40两侧的金属基板50相连接，进而构成一双金属与陶瓷组成的功率半导体。
上述制程中，陶瓷基板表面金属化的方法如图6所示，进一步包含有下列步骤：
1、导体印刷，是在陶瓷基板40上利用网板印刷技术，印刷有利用银胶以及玻璃等元素所混合而成的导电膏42，如图3所示；
2、高温烧结，利用600-800℃的高温，使导电膏42得以烧结于陶瓷基板40上；
3、镀镍，用以防止导电膏40的脱离；
4、镀锡，使陶瓷基板40得以与金属基板50进行高温烧结。
请参阅所有附图所示，由于本发明的功率半导体主要是由利用陶瓷基板40与双金属基板50封装于硅芯片10的外部，同时陶瓷基板40的热传导率又为一般环氧树脂的24.375倍，且陶瓷基板40两侧皆设置有金属基板50，因此可利用陶瓷基板40将硅芯片10所产生的热能快速传导至金属基板50，而透过两片金属基板50增加与空气热交换的面积，如此可增加双金属与陶瓷组成的功率半导体的使用寿命，并使该功率半导体得以长期使用于高温环境下。
值得一提的是，陶瓷基板40可依不同电流的需求作不同厚度及大小的变化，当电流通过双金属基板50使硅芯片10运作时所产生的热能，得以藉由不同厚度及不同大小的陶瓷基板40进行热能的封存，并由陶瓷基板40将热能由双金属基板50释出，藉以使双金属与陶瓷组成的功率半导体得以长期使用于高温环境中，并增加双金属与陶瓷组成的功率半导体的使用寿命。
为了说明本发明的热传导效果较传统的功率半导体具有更佳的热传导效果，谨与前述一般环氧树脂的热传导率比较如下：
1、如前所述，一般环氧树脂的热传导效率为0.0032，而陶瓷基板40的热传导率为0.078，故陶瓷基板40的热传导率为环氧树脂的24.375倍；
2、本发明中的陶瓷基板40两侧分别设置有一金属基板50，藉以可使陶瓷基板40中所封存的热能平均引导至两侧的金属基板50上，以增加整体功率半导体与空气之间的热交换面积；
3、再者，前述陶瓷基板40的热传导率为一般环氧树脂的24.375倍，若陶瓷基板40所占的体积越大其导热效率越佳。
由此显见，在相同的体积下，本发明确实较习知技术纯粹利用环氧树脂所构成的功率半导体具有更佳的热传导效果。
除了上述散热上的优点，本发明制造时可以先将陶瓷预型后，再利用高温烧结技术与金属导热板结合，如此一来，其制程就无须如传统制程需经过塑料封装的繁杂流程及设备，可以简化制程，提高自动化生产效率。
此外，本发明实施时可如图7所示，在陶瓷基板40上进一步设置两个以上的容置槽41，使陶瓷基板40得以在各容置槽41中分别容设有一硅芯片，进而构成一具有双芯片的功率半导体。

Claims (5)

1、一种双金属与陶瓷组成的功率半导体，其特征在于，该功率半导体由硅芯片、陶瓷基板以及双金属基板所构成，其中：陶瓷基板上至少设有一用以容设硅芯片的容置槽，陶瓷基板两侧以高温烧结方式分别与双金属基板相接合，使硅芯片两侧分别与金属基板相互连接导通，同时各金属基板上皆延伸有引脚。
2、根据权利要求1所述的双金属与陶瓷组成的功率半导体，其特征在于，金属基板由铜质材料所构成。
3、一种双金属与陶瓷组成的功率半导体制造方法，包含有下列步骤：
一、将至少具有一容置槽的陶瓷基板表面金属化，以做为与金属基板接合之用；
二、将设有引脚的两片金属基板预型，并印刷金属膏；
三、硅芯片取置，将硅芯片设置于其中一片金属基板上，使硅芯片位于陶瓷基板上的容置槽内，并排置另一片金属基板；
四、将两片金属基板与陶瓷基板以高温共烧结，并使硅芯片与陶瓷基板两侧的金属基板相连接。
4、根据权利要求3所述的双金属与陶瓷组成的功率半导体制造方法，其中，陶瓷基板表面金属化的方法进一步包含有下列步骤：
一、导体印刷，是在陶瓷基板上印刷有利用银胶以及玻璃元素所混合而成的导电膏；
二、高温烧结，使导电膏得以烧结于陶瓷基板上；
三、镀镍，用以防止导电膏的脱离；
四、镀锡，使陶瓷基板得以与金属基板进行烧结。
5、根据权利要求3所述的双金属与陶瓷组成的功率半导体制造方法，其中，金属基板的引脚至少包括有直型及弯型。
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