CN106098564A - 用SiC作为基片的大功率半导体封装构造及其方法 - Google Patents

用SiC作为基片的大功率半导体封装构造及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，包括基板和用SiC作为基片的芯片，所述芯片与基板之间设置有金属泡沫层；将金属泡沫层设置于芯片与基板之间，避免芯片与基板之间接触不紧密而造成接触间隙不利于芯片散热，利用金属泡沫层的弹性形变，使得金属泡沫层与芯片与基板充分接触，保证芯片的散热性能好，同时金属泡沫层能够避免因芯片受到压应力而产生微裂纹，保证芯片使用寿命长且性能稳定，并且整体结构简单，封装方便，大大提高工作效率；同时设置散热填料，形成泡沫金属为主要散热，而散热填料为次要散热的结构，保证形成流畅的散热流。

Description

用SiC作为基片的大功率半导体封装构造及其方法
技术领域
本发明涉及半导体封装领域，具体涉及一种用SiC作为基片的大功率半导体封装构造及其方法。
背景技术
随着个人计算机、数码相机、移动电话和其他电子设备的普及并不断更新换代，对半导体器件的要求也越来越高，要求半导体器件的尺寸越来越小，功率越来越高，但最小部件(例如：晶体管、二极管、电阻器、电容器等)的尺寸越来越小，集成度越来越高，从而将更多的元件集成到指定的区域中，功率高引起的高电流、高热阻和热量是困扰半导体器件运行稳定性和寿命的主要问题之一，为了解决这一问题，封装时提高半导体器件的散热性成为越来越普遍的选择。
目前半导体器件与外环装置进行连接的方法主要有焊接和压接两种方式。但是这两种方式对于耐高温SiC陶瓷基片都存在一些不可克服的问题，其中，焊接封装容易产生欧姆接触不良，这会使器件热阻加大，散热不均匀，影响电流在器件中的分布，破坏器件的热稳定性，甚至使器件烧毁；同时，随着半导体器件的热量越来越大，由于焊料与半导体器件的热膨胀系数不同，容易产生焊锡脱落、断路的情况，而压接方式产量低，并且需要钼作缓冲层以防芯片脆裂，造成封装成本高，并且压应力可能对半导体器件的组成单元产生损失和微裂纹，使得半导体器件在工作时产生过压击穿，从而有必要需找一种更加安全、高效的半导体封装技术，造成其应用受到限制。
因此，为解决以上问题，需要一种用SiC作为基片的大功率半导体封装构造及其方法，能够简化大功率半导体的封装工艺，提高封装效率，并且芯片散热效果好，使用性能稳定，工作寿命长，并且成本低廉，具有较好经济效益。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，能够简化大功率半导体的封装工艺，提高封装效率，并且芯片散热效果好，使用性能稳定，工作寿命长，并且成本低廉，具有较好经济效益。
本发明的用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，包括基板和用SiC作为基片的芯片，所述芯片与基板之间设置有金属泡沫层。
进一步，所述金属泡沫层中填充有散热填料和高分子连接剂的混合物。
进一步，所述金属泡沫层与芯片之间设置有导热金属层，所述导热金属层与芯片通过烧结连接。
进一步，所述金属泡沫层为泡沫镍层，所述散热填料为碳纳米管、石墨烯、镀镍碳纳米管、羰基铁粉颗粒和银纳米颗粒中的一种或多种组合，所述高分子连接剂为环氧树脂。
进一步，所述散热填料均匀分布于环氧树脂中且环氧树脂与散热填料的体积之比为4-10；所述金属泡沫层的气孔率为90-95％，且厚度为0.3-1mm。
进一步，所述导热金属层为铜片且厚度为0.03-0.05mm。
进一步，所述基板包括上基板和下基板，所述上基板与芯片之间和下基板与芯片之间均由内到外设置有导热金属层和泡沫金属层。
本发明还公开了一种大功率半导体封装方法，包括以下步骤：
a.对导热金属片进行表面处理；
b.将表面处理后的导热金属片与芯片烧结固定连接；
c.导热金属片外表面敷设泡沫金属层并将散热填料和高分子连接剂的混合物注入泡沫金属层注入泡沫金属层；
d.在泡沫金属层外表面铺设基板并采用模具固定，使基板通过高分子连接剂与芯片固定。
进一步，其中步骤a中采用清洗剂和活性剂对导热金属片进行表面处理，清洗剂是柠檬酸三钠和蓖麻醇酸镁的混合溶液，其配比为柠檬酸三钠为320-350g/L，蓖麻醇酸镁为60-80g/L；活化剂是HCl和NaCl的混合溶液，配比HCl为10-15g/L，NaCl为30-40g/L。
进一步，其中步骤b中，烧结前对芯片印刷粘接剂并将导热金属层装贴于粘接剂后烧结处理，所述粘接剂的作用是固定导热金属层，其组分按重量配比的配方如下：
本发明的有益效果是：本发明公开的一种用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，将金属泡沫层设置于芯片与基板之间，金属泡沫层通过芯片与基板之间相互挤压并固定，使金属泡沫层与芯片表面和基板表面之间均充分接触导热，避免芯片与基板之间接触不紧密而造成接触间隙不利于芯片散热，利用金属泡沫层表面整体和局部的弹性形变，使得金属泡沫层与芯片与基板充分接触，保证芯片的散热性能好，同时金属泡沫层能够避免因芯片受到压应力而产生微裂纹，保证芯片使用寿命长且性能稳定，并且整体结构简单，封装方便，大大提高工作效率；同时设置散热填料，形成泡沫金属为主要散热，而散热填料为次要散热的结构，保证形成流畅的散热流。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，如图所示，本实施例中的用SiC作为基片的大功率半导体封装构造；包括基板和用SiC作为基片的芯片5，所述芯片5与基板之间设置有金属泡沫层；用SiC作为基片利于提高芯片5的耐高温特性，适于大功率半导体，保证半导体具有稳定工作性能，同时将金属泡沫层2设置于芯片5与基板之间，金属泡沫层2通过芯片5与基板之间相互挤压并固定，使金属泡沫层2与芯片5表面和基板表面之间均充分接触导热，避免芯片5与基板之间接触不紧密而造成接触间隙不利于芯片5散热，同时利用金属泡沫层2表面整体和局部的弹性形变，使得金属泡沫层2与芯片5与基板充分接触，保证芯片5的散热性能好，而金属泡沫层2能够避免因芯片5受到压应力而产生微裂纹，保证芯片5使用寿命长且性能稳定，并且整体结构简单，封装方便，大大提高工作效率。
本实施例中，所述金属泡沫层2中填充有散热填料和高分子连接剂的混合物；所述散热填料可为导热颗粒(如金属纳米颗粒等)并内嵌于高分子连接剂中，所述高分子连接剂可选用现有技术中的高分子连接材料，在此不再赘述；通过散热填料和高分子连接剂的混合物的设置可增大金属泡沫层2表面与芯片5和基板之间的接触面积，进一步提高导热接触的接触面积，增加热传导效率，保证芯片5散热性能好，同时利于调节金属泡沫层2的弹性系数，保证芯片5和基板之间弹性系数和导热系数相互协调，形成泡沫金属为主要散热，而散热填料为次要散热的结构，保证形成流畅的散热流。
本实施例中，所述金属泡沫层2与芯片5之间设置有导热金属层3，所述导热金属层3与芯片5通过烧结连接；导热金属层3利于芯片5表面的热量在导热金属层3上分散均匀，利于热量通过金属泡沫层2向外传导；而导热金属层3与芯片5通烧结使得界面热阻低，利于热传导，保证热量有效散出。
本实施例中，所述金属泡沫层2为泡沫镍层，所述散热填料为碳纳米管、石墨烯、镀镍碳纳米管、羰基铁粉颗粒和银纳米颗粒中的一种或多种组合，所述高分子连接剂为环氧树脂；所述环氧树脂选用双组份环氧树脂胶，通过将金属泡沫层2设置为泡沫镍层，泡沫镍层具有强抗腐蚀性和良好的可塑性，而通过将碳纳米管、石墨烯、镀镍碳纳米管、羰基铁粉颗粒和银纳米颗粒中的一种或多种组合添加至环氧树脂中，本实施例中选用碳纳米管均匀分布于环氧树脂中，利用环氧树脂的弹性和密封性，而根据所需导热系数和弹性系数合理选择散热填料添加量，保证环氧树脂能够稳定连接和严格密封芯片5和基板；而散热填料选择上述其他材料或几种材料的组合也能到达和单独选用碳纳米管的作用效果。
本实施例中，所述散热填料均匀分布于环氧树脂中且环氧树脂与散热填料的体积之比为4-10；所述金属泡沫层的气孔率为90-95％，且厚度为0.3-1mm，利于提高导热效率，适用于大功率半导体散热快且散热量大的需求。
本实施例中，所述导热金属层3为铜片且厚度为0.03-0.05mm；所述铜片厚度为0.04mm，利于烧结且烧结后形变适中，方便金属泡沫层2充分均匀接触，保证导热接触面的导热性能好。
本实施例中，所述基板包括上基板1和下基板6，所述上基板1与芯片5之间和下基板6与芯片5之间均由内到外设置有导热金属层和泡沫金属层；通过上、下基板6的设置，利于芯片5具有性能较好的双面散热结构，进一步提高芯片5的封装的稳定性和散热好。
本发明还公开了一种大功率半导体封装方法，包括以下步骤：
a.对导热金属片进行表面处理；
b.将表面处理后的导热金属片与芯片5烧结固定连接；
c.导热金属片外表面敷设泡沫金属层并将散热填料和高分子连接剂的混合物注入泡沫金属层；
d.在泡沫金属层外表面铺设基板并采用模具挤压后固定，使基板通过高分子连接剂与芯片5固定；通过上述方法封装大功率半导体，封装工艺简单，成本低廉，且封装后的结构具有较好的散热特性，保证半导体封装性能优良。
本实施例中，其中步骤a中采用清洗剂和活性剂对导热金属片进行表面处理，清洗剂是柠檬酸三钠和蓖麻醇酸镁的混合溶液，其配比为柠檬酸三钠为320-350g/L，蓖麻醇酸镁为60-80g/L；活化剂是HCl和NaCl的混合溶液，配比HCl为10-15g/L，NaCl为30-40g/L；通过上述配比的清洗剂和活化剂，利于提高导热金属层3的表面性能，使导热金属层3与芯片5之间易于形成结晶相，形成高强度的连接。
本实施例中，其中步骤b中，烧结前对芯片5印刷粘接剂4并将导热金属层3装贴于粘接剂4后烧结处理，所述粘接剂4的作用是固定导热金属层3，其组分按重量配比的配方优选如下：
保证导热金属层3粘接稳定，并且粘接剂4在高温加热时利于导热金属层3与芯片5之间形成结晶相，提高结晶相的质量，保证烧结连接效果；当然，封装好的芯片通过塑料塑封或陶瓷盒密封固定，属于现有技术，在此不再赘述。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，其特征在于：包括基板和用SiC作为基片的芯片，所述芯片与基板之间设置有金属泡沫层。
2.根据权利要求1所述的用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，其特征在于：所述金属泡沫层中填充有散热填料和高分子连接剂的混合物。
3.根据权利要求2所述的用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，其特征在于：所述金属泡沫层与芯片之间设置有导热金属层，所述导热金属层与芯片通过烧结连接。
4.根据权利要求2所述的用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，其特征在于：所述金属泡沫层为泡沫镍层，所述散热填料为碳纳米管、石墨烯、镀镍碳纳米管、羰基铁粉颗粒和银纳米颗粒中的一种或多种组合，所述高分子连接剂为环氧树脂。
5.根据权利要求4所述的用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，其特征在于：所述散热填料均匀分布于环氧树脂中且环氧树脂与散热填料的体积之比为4-10；所述金属泡沫层的气孔率为90-95％，且厚度为0.3-1mm。
6.根据权利要求3所述的用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，其特征在于：所述导热金属层为铜片且厚度为0.03-0.05mm。
7.根据权利要求6所述的用SiC作为基片的大功率半导体封装构造，其特征在于：所述基板包括上基板和下基板，所述上基板与芯片之间和下基板与芯片之间均由内到外设置有导热金属层和泡沫金属层。
8.一种大功率半导体封装方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.对导热金属片进行表面处理；
b.将表面处理后的导热金属片与芯片烧结固定连接；
c.导热金属片外表面敷设泡沫金属层并将散热填料和高分子连接剂的混合物注入泡沫金属层；
d.在泡沫金属层外表面铺设基板并轻压，使基板通过高分子连接剂与芯片固定。
9.根据权利要求8所述的大功率半导体封装方法，其特征在于：其中步骤a中采用清洗剂和活性剂对导热金属片进行表面处理，清洗剂是柠檬酸三钠和蓖麻醇酸镁的混合溶液，其配比为柠檬酸三钠为320-350g/L，蓖麻醇酸镁为60-80g/L；活化剂是HCl和NaCl的混合溶液，配比HCl为10-15g/L，NaCl为30-40g/L。
10.根据权利要求9所述的大功率半导体封装方法，其特征在于：其中步骤b中，烧结前对芯片印刷粘接剂并将导热金属层装贴于粘接剂后烧结处理，所述粘接剂的作用是固定导热金属层，其组分按重量配比的配方如下：
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