CN107799428A - 一种功率芯片封装方法和结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种功率芯片封装方法和结构，所述方法包括：在第一金属垫片上设置第一烧结层；在所述第一烧结层上设置功率芯片；在第二金属垫片上设置第二烧结层；将设置有所述第二烧结层的所述第二金属垫片设置在所述功率芯片上，并使所述第二烧结层贴近所述功率芯片，以形成待烧结子模组；对所述待烧结子模组进行烧结形成烧结子模组。该方案通过将第一金属垫片、功率芯片和第二金属垫片烧结在一起，降低了各个零部件之间的接触热阻，由于第一金属垫片、第二金属垫片与功率芯片之间形成共融合金，使得功率芯片子模组具备短路失效性能，通过对零部件最后的整体厚度公差进行管控，降低了单独对这三个零部件以及其他零部件厚度的加工精度要求。

Description

一种功率芯片封装方法和结构

技术领域

本发明涉及封装技术领域，具体涉及一种功率芯片封装方法和结构。

背景技术

压接封装是大功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件最新的封装形式，与传统的焊接型IGBT(Soldered IGBT Module)相比，压接型IGBT(Press-pack IGBT)利用压力实现热力学和电气的连接，并保证了双面散热。压接型IGBT被认为是大功率应用场合以及输出功率有大幅波动的应用场合的理想器件，能满足高压直流输电和新能源并网对开关器件的要求。此外，压接型IGBT的可靠性很高，也能满足电力系统对供电高可靠性的要求。

目前，压接型IGBT主要分为刚性电极压接和碟簧的弹性电极压接。在刚性电极压接中，IGBT芯片集电极和发射极都直接同刚性材料直接接触，具体地，比如讲半导体芯片、芯片两面的钼片、银片以及上下两个导电电极直接通过压力结合在一起，上述各个零部件之间仅仅进行简单的堆叠，由于零部件数量多，由此造成的零部件间的接触界面也相对增多，导致器件的接触电阻增加，特别是在压力分布不均匀的情况下，严重影响器件的散热。另外，由于每个零部件都有误差，造成总的厚度偏差较大，为了保证压接中各个零件之间的压力分布均匀，就需要提高单个零部件的厚度加工精度，以对组装后的总厚度偏差进行控制，因而造成生产成本较高。尤其在面临高压大容量的电力系统对IGBT器件需求面前，同现有的小容量IGBT器件相比，未来电网用IGBT器件并联的芯片数量将显著增加。芯片数量的增加导致压力分布不均问题将更加显著，简单的从提高零部件的加工精度上考虑已经无法满足高压大容量的电力系统对IGBT器件需求。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中IGBT器件的封装方式容易因压力分布不均导致散热不好、生产成本高。从而提供一种功率芯片封装方法和结构。

有鉴于此，本发明实施例的第一方面提供了一种功率芯片封装方法，在第一金属垫片上设置第一烧结层；在所述第一烧结层上设置功率芯片；在第二金属垫片上设置第二烧结层；将设置有所述第二烧结层的所述第二金属垫片设置在所述功率芯片上，并使所述第二烧结层贴近所述功率芯片，以形成待烧结子模组；对所述待烧结子模组进行烧结形成烧结子模组。

优选地，所述第一烧结层和/或所述第二烧结层的厚度在1纳米至20微米范围内。

优选地，所述第一烧结层和/或第二烧结层为：纳米银、锡银铜以及锡铅中的至少一种构成的焊膏、焊片或者薄膜。

优选地，所述在第一金属垫片上设置第一烧结层，包括：采用物理气相沉积或丝网印刷的方法将所述第一烧结层沉积在第一金属垫片上；和/或所述在第二金属垫片上设置第二烧结层包括：采用物理气相沉积或丝网印刷的方法将所述第二烧结层沉积在第二金属垫片上。

优选地，在所述对所述待烧结子模组进行烧结形成烧结子模组之后，还包括：对烧结后的至少一个所述烧结子模组进行塑封。

优选地，所述对烧结后的至少一个所述烧结子模组进行塑封包括：将所述烧结子模组放置在塑封模具内；将塑封材料升温化为液态；加压使液态塑封材料注入所述塑封模具；将所述态塑封材料在所述塑封模具中固化，形成塑封外壳后退掉所述塑封模具，得到塑封好的功率芯片子模组。

优选地，还包括：将栅极探针装配入所述塑封外壳中预留的孔洞处内。

优选地，还包括：将至少一个所述功率芯片子模组放置在第一盖板的凸台上；在至少一个所述功率芯片子模组上盖上第二盖板进行压力密封。

优选地，在所述在至少一个所述功率芯片子模组上盖上第二盖板进行压力密封之前，还包括：将所述第一盖板和所述第二盖板的直接相对的部分进行绝缘处理。

优选地，所述加压使液态塑封材料注入所述塑封模具包括：采用注塑机以及压力和厚度可控的辅助工装进行塑封。

本发明实施例的第二方面提供了一种功率芯片封装结构，包括：第一盖板，所述第一盖板上设置有凸台；功率芯片子模组，包括塑封外壳和设置在所述塑封外壳内的烧结子模组，其中所述烧结子模组包括烧结在一起的第一金属垫片、功率芯片和第二金属垫片，所述功率芯片子模组设置在所述第一盖板的凸台上；第二盖板，所述第二盖板设置在所述功率芯片子模组上。

优选地，所述塑封外壳经由注入塑封模具的液态塑封材料固化后得到，所述塑封材料为耐温在200℃以上的热塑性聚合物材料。

优选地，所述第一盖板和所述第二盖板的材质为高导电材料，其表面均镀有抗氧化膜。

本发明的技术方案具有以下优点：

1.本发明实施例提供的功率芯片封装方法和结构，通过将第一金属垫片、功率芯片和第二金属垫片烧结在一起，首先，显著降低了各个零部件之间的接触热阻，改善器件的散热性；其次，由于第一金属垫片、第二金属垫片可以与功率芯片之间形成共融合金，因此使得功率芯片子模组具备短路失效性能，实验证明本发明提出的方案较传统刚性电极压接方案，可以使同样的功率芯片封装结构热阻有30％的下降。

2.本发明实施例提供的功率芯片封装方法和结构，在功率芯片同第一、二金属垫片烧结过程中，通过调节烧结温度，再利用压力和厚度可控的辅助工装，可以对这三个零部件最后的整体厚度公差进行管控，这样就降低了单独对这三个零部件以及其他零部件厚度的加工精度要求，进一步降低原材料零部件的加工成本，显著改善由于厚度差异导致的压力不均匀问题，更加适用于大规模芯片并联的高压大容量器件封装，满足电力系统对高压大容量电力电子器件的需求。

3.本发明实施例提供的功率芯片封装方法和结构，通过将第一金属垫片、功率芯片和第二金属垫片形成的烧结子模组在塑封模具中进行塑封，采用塑封工艺进行封装，不仅简化了装配工序、降低了人为装配的误差，而且塑封材料对空隙进行完全填充，消除了打火放电的隐患。通过采用塑封结构大大提高了子模组装配过程中的均一性，有效保证了大规模芯片并联对误差精度的要求，提高了器件的可靠性。省去了传统的银片和绝缘框架，减少了各个零部件之间的接触热阻，改善器件的散热性，减少了生产工序，大幅提高了生产效率并且降低了器件的生产成本。

4.本发明实施例提供的功率芯片封装方法和结构，同以往的装配工艺相比，装配过程大大简化，在塑封工艺后，只需要进行栅极探针的装配和功率芯片子模组的放置，一方面，装配工艺的简化意味着能够减少功率芯片的损伤，提高功率芯片服役的可靠性，另一方面，能够避免装配过程中，由于人为因素造成的偏差导致存在平面度、厚度等偏差，提高了IGBT器件对未来高压大容量的电力系统的适应性，满足电网输配电发展的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的功率芯片封装方法的流程图；

图2A为本发明实施例1的功率芯片子模组的装配结构示意图；

图2B为本发明实施例1的塑封工艺的示意图；

图2C为本发明实施例1的功率芯片子模组的整体结构示意图；

图3为本发明实施例2的功率芯片封装结构的示意图；

附图标记：

1-功率芯片子模组，2-第二盖板，3-第一盖板，10-第二金属垫片，12-第二面，20-功率芯片，30-第一金属垫片，31-第一面，40-栅极探针，50-塑封外壳。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种功率芯片封装方法，适用于对功率芯片(比如IGBT芯片)进行封装，如图1所示，该方法包括如下步骤：

S11：在第一金属垫片30上设置第一烧结层；烧结是将粉状物加热到一定程度，在施加压力的条件下，使其粉状物粘结在一起，具体地，可以采用物理气相沉积或丝网印刷的方法将第一烧结层沉积在第一金属垫片30上，第一烧结层的厚度可以在1纳米至20微米范围内，比如，如图2A所示，具体制作工程可以采用包括磁控溅射法内的PVD(物理气相沉积)方式在第一金属垫片30的第一面31沉积一层烧结薄膜，其厚度可以1纳米至20微米范围内，具体可以根据实际应用场景进行调整。

S12：在第一烧结层上设置功率芯片20；即将功率芯片20放置在第一金属垫片30上设置有第一烧结层的一面。

S13：在第二金属垫片10上设置第二烧结层；此处同样可以采用物理气相沉积或丝网印刷的方法将第二烧结层沉积在第二金属垫片10上，第二烧结层的厚度可以在1纳米至20微米范围内，比如，如图2A所示，具体制作工程可以采用包括磁控溅射法内的PVD(物理气相沉积)方式在第二金属垫片10的第二面12沉积一层烧结薄膜，其厚度可以1纳米至20微米范围内，具体可以根据实际应用场景进行调整。

S14：将设置有第二烧结层的第二金属垫片10设置在功率芯片20上，并使第二烧结层贴近功率芯片20，以形成待烧结子模组；即分别将第一金属垫片30的第一烧结层和和第二金属垫片10的第二烧结层对准功率芯片20放置，以形成待烧结子模组。

S15：对待烧结子模组进行烧结形成烧结子模组。即采用烧结工艺对待烧结子模组进行烧结，此处烧结工艺参数不仅与功率芯片20的需求有关，还与需采用的烧结层材料有关，在功率芯片20同第一、二金属垫片烧结过程中，需要施加压力，通过调节烧结温度和压力控制待烧结子模组中各个零件的统一高度，使高度保持一致。通过相应的压力和厚度可控的辅助工装，对这三个零部件最后的整体厚度公差进行管控，这样就降低了单独对这三个零部件以及其他零部件厚度的加工精度要求，进一步降低原材料零部件的加工成本，显著改善由于厚度差异导致的压力不均匀问题，更加适用于大规模芯片并联的高压大容量器件封装，满足电力系统对高压大容量电力电子器件的需求。另外显著降低了各个零部件之间的接触热阻，改善器件的散热性；并且由于第一金属垫片30、第二金属垫片10可以与功率芯片20之间形成共融合金，因此使得功率芯片子模组1具备短路失效性能，实验证明本发明提出的方案较传统刚性电极压接方案，可以使同样的功率芯片封装结构热阻有30％的下降。

作为一种优选方案，第一烧结层和/或第二烧结层为：纳米银、锡银铜以及锡铅中的至少一种构成的焊膏、焊片或者薄膜。不同材质的烧结层对应有不同的烧结工艺参数，比如，对于使用纳米银材料的烧结，烧结温度在250-400℃之间，烧结时间在1min-30min范围内，烧结压力在5Mpa-20Mpa之间。

作为一种优选方案，在对待烧结子模组进行烧结形成烧结子模组之后，还包括：对烧结后的至少一个烧结子模组进行塑封。作为一种具体的实施方式，对烧结后的至少一个烧结子模组进行塑封包括：

步骤一：将烧结子模组放置在塑封模具内；具体地，如图2B所示，首先将包含下垫片(即第一金属垫片30)、芯片(即功率芯片20)和上垫片(即第二金属垫片10)的烧结子模组依次放入塑封模具(包括上、下塑封模具)中，该塑封模具与该芯片匹配使用，在实际应用中，可以根据芯片以及上下垫片的改变而改变，以适用多样的芯片封装。

步骤二：将塑封材料升温化为液态；塑封材料一般常温下为固体状态，在使用时，根据塑封材料的特性，对其升温到达其玻璃转化点后变成液态的塑封材料，才能使用，可选的，塑封材料可以为耐200℃以上高温的热塑性聚合物材料，比如聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸丁二酯等材料。

步骤三：加压使液态塑封材料注入塑封模具；液态的塑封材料可以通过加压将其注入塑封模具成型，作为一种具体的实施方式，可以采用注塑机以及压力和厚度可控的辅助工装进行塑封，如图2B所示，通过压头将液态塑封材料注入塑封模具，通过相应的压力和厚度可控的辅助工装，可以对零部件最后的整体厚度公差进行管控，降低了单独对零部件厚度的加工精度要求。

步骤四：将态塑封材料在塑封模具中固化，形成塑封外壳50后退掉塑封模具，得到塑封好的功率芯片子模组1。如图2A所示，即最后液态的塑封材料固化成塑封外壳50，将塑封模具退掉即可获得塑封好的功率芯片子模组1。如此，通过将包含第一金属垫片30、功率芯片20和第二金属垫片10的烧结子模组在塑封模具中进行塑封，采用塑封工艺进行封装，不仅简化了装配工序、降低了人为装配的误差，而且塑封材料对空隙进行完全填充，消除了打火放电的隐患。通过采用塑封结构大大提高了子模组装配过程中的均一性，有效保证了大规模芯片并联对误差精度的要求，提高了器件的可靠性。省去了传统的银片和绝缘框架，减少了各个零部件之间的接触热阻，改善器件的散热性，减少了生产工序，大幅提高了生产效率并且降低了器件的生产成本。

作为一种优选方案，还包括：将栅极探针40装配入塑封外壳50中预留的孔洞处内。即对于需要引出栅极的功率芯片20，比如IGBT芯片，可以在功率芯片子模组1塑封的过程中预留栅极探针40的孔洞，如图2A所示，在完成塑封工艺后，将栅极探针40装配入塑封外壳50中预留的孔洞处内，装配完成后，功率芯片子模组11的整体结构如图2C所示。同以往的装配工艺相比，装配过程大大简化，在塑封工艺后，只需要进行栅极探针40的装配和功率芯片子模组1的放置，一方面，装配工艺的简化意味着能够减少功率芯片20的损伤，提高功率芯片20服役的可靠性，另一方面，能够避免装配过程中，由于人为因素造成的偏差导致存在平面度、厚度等偏差，提高了IGBT器件对未来高压大容量的电力系统的适应性，满足电网输配电发展的需求。

作为一种优选方案，还包括：将至少一个功率芯片子模组1放置在第一盖板3的凸台上；在至少一个功率芯片子模组1上盖上第二盖板2进行压力密封。在塑封形成功率芯片子模组1后，可以根据实际需要将多个功率芯片子模组1并联，实现器件容量的增加，将并联的子模组放在在第一盖板3的凸台上，然后放上第二盖板2，并加压进行密封，形成功率芯片20封装体。

作为一种优选方案，在在至少一个功率芯片子模组1上盖上第二盖板2进行压力密封之前，还包括：将第一盖板3和第二盖板2的直接相对的部分进行绝缘处理。具体地，由于第一盖板3和第二盖板2与功率芯片20的电极连接，使其具有电极特性，为了减少第一盖板3和第二盖板2对功率芯片20电气特性的干扰，可以采用绝缘材料(比如陶瓷、氧化铝或氮化铝)在第一盖板3和第二盖板2之间直接相对的部分做绝缘处理，以减少干扰，增强封装体的可靠性。

本实施例提供的功率芯片封装方法，通过将第一金属垫片30、功率芯片20和第二金属垫片10烧结在一起，显著降低了各个零部件之间的接触热阻，改善器件的散热性；在功率芯片20同第一、二金属垫片烧结过程中，通过相应的压力和厚度可控的辅助工装，可以对这三个零部件最后的整体厚度公差进行管控，这样就降低了单独对这三个零部件以及其他零部件厚度的加工精度要求，进一步降低原材料零部件的加工成本，显著改善由于厚度差异导致的压力不均匀问题，更加适用于大规模芯片并联的高压大容量器件封装，满足电力系统对高压大容量电力电子器件的需求。由于第一金属垫片30、第二金属垫片10可以与功率芯片20之间形成共融合金，因此使得功率芯片子模组1具备短路失效性能，实验证明本发明提出的方案较传统刚性电极压接方案，可以使同样的功率芯片封装结构热阻有30％的下降。

实施例2

本实施例供了一种功率芯片封装结构，如图3所示，包括：第一盖板3，第一盖板3上设置有凸台；功率芯片子模组1，包括塑封外壳50和设置在塑封外壳50内的烧结子模组，其中烧结子模组包括烧结在一起的第一金属垫片30、功率芯片20和第二金属垫片10，功率芯片子模组1设置在第一盖板3的凸台上；第二盖板2，第二盖板2设置在功率芯片子模组1上。省去了传统的银片和绝缘框架，减少了各个零部件之间的接触热阻，改善器件的散热性。由于采用塑封工艺省去了银片和绝缘框架，减少了生产工序，大幅提高了生产效率并且降低了器件的生产成本。

作为一种优选方案，当功率芯片20是IGBT芯片时，还可以包括栅极探针40。功率芯片20正反两面包括集电极、发射极和栅极三个区域，其中集电极位于一侧，并通过第一金属垫片30引出；发射极和栅极位于功率芯片20的另一面，发射极由第二金属垫片10引出，栅极位于功率芯片20的拐角处，并由栅极探针40引出。其中，第一金属垫片30和第二金属垫片10可以为相同材质，可以是金属钼，或者金属基复合材料，并且其热膨胀系数同功率芯片20相近。

作为一种优选方案，塑封外壳50经由注入塑封模具的液态塑封材料固化后得到，塑封材料为耐温在200℃以上的热塑性聚合物材料。详细塑封过程参见实施例1中的相关详细描述。通过采用塑封结构大大提高了子模组装配过程中的均一性，有效保证了大规模芯片并联对误差精度的要求，提高了器件的可靠性。

作为一种优选方案，第一盖板3和第二盖板2的材质为高导电材料，两个盖板的形状一般可以相同，比如可以为圆形或者方形，其表面均镀有抗氧化膜，比如可以在其表面进行镀镍处理，此处主要是加强第一、二盖板的抗氧化性能，从而提高其可靠性，延长功率芯片子模组1的使用寿命。

需要说明的是，本实施例的功率芯片封装结构可以采用实施例1中的功率芯片封装方法对功率芯片20进行封装得到，具体过程可以参见实施例1中的详细描述，在此不再赘述。

本实施例提供的功率芯片封装结构，通过将第一金属垫片30、功率芯片20和第二金属垫片10烧结在一起，并将烧结子模组进行塑封形成功率芯片子模组1，显著降低了各个零部件之间的接触热阻，改善器件的散热性；在功率芯片20同第一、二金属垫片烧结过程中，通过相应的压力和厚度可控的辅助工装，可以对这三个零部件最后的整体厚度公差进行管控，这样就降低了单独对这三个零部件以及其他零部件厚度的加工精度要求，进一步降低原材料零部件的加工成本，显著改善由于厚度差异导致的压力不均匀问题，更加适用于大规模芯片并联的高压大容量器件封装，满足电力系统对高压大容量电力电子器件的需求。由于第一金属垫片30、第二金属垫片10可以与功率芯片20之间形成共融合金，因此使得功率芯片子模组1具备短路失效性能，实验证明本发明提出的方案较传统刚性电极压接方案，可以使同样的功率芯片封装结构热阻有30％的下降。采用塑封工艺进行封装，不仅简化了装配工序、降低了人为装配的误差，而且提高了子模组装配过程中的均一性，有效保证了大规模芯片并联对误差精度的要求，提高了器件的可靠性。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种功率芯片封装方法，其特征在于，包括：

在第一金属垫片上设置第一烧结层；

在所述第一烧结层上设置功率芯片；

在第二金属垫片上设置第二烧结层；

将设置有所述第二烧结层的所述第二金属垫片设置在所述功率芯片上，并使所述第二烧结层贴近所述功率芯片，以形成待烧结子模组；

对所述待烧结子模组进行烧结形成烧结子模组。

2.根据权利要求1所述的功率芯片封装方法，其特征在于，所述第一烧结层和/或所述第二烧结层的厚度在1纳米至20微米范围内。

3.根据权利要求1所述的功率芯片封装方法，其特征在于，所述第一烧结层和/或第二烧结层为：纳米银、锡银铜以及锡铅中的至少一种构成的焊膏、焊片或者薄膜。

4.根据权利要求1所述的功率芯片封装方法，其特征在于，所述在第一金属垫片上设置第一烧结层，包括：

采用物理气相沉积或丝网印刷的方法将所述第一烧结层沉积在第一金属垫片上；和/或

所述在第二金属垫片上设置第二烧结层包括：

采用物理气相沉积或丝网印刷的方法将所述第二烧结层沉积在第二金属垫片上。

5.根据权利要求1所述的功率芯片封装方法，其特征在于，在所述对所述待烧结子模组进行烧结形成烧结子模组之后，还包括：

对烧结后的至少一个所述烧结子模组进行塑封。

6.根据权利要求5所述的功率芯片封装方法，其特征在于，所述对烧结后的至少一个所述烧结子模组进行塑封包括：

将所述烧结子模组放置在塑封模具内；

将塑封材料升温化为液态；

加压使液态塑封材料注入所述塑封模具；

将所述态塑封材料在所述塑封模具中固化，形成塑封外壳后退掉所述塑封模具，得到塑封好的功率芯片子模组。

7.根据权利要求6所述的功率芯片封装方法，其特征在于，还包括：

将栅极探针装配入所述塑封外壳中预留的孔洞处内。

8.根据权利要求6所述的功率芯片封装方法，其特征在于，还包括：

将至少一个所述功率芯片子模组放置在第一盖板的凸台上；

在至少一个所述功率芯片子模组上盖上第二盖板进行压力密封。

9.根据权利要求8所述的功率芯片封装方法，其特征在于，在所述在至少一个所述功率芯片子模组上盖上第二盖板进行压力密封之前，还包括：

将所述第一盖板和所述第二盖板的直接相对的部分进行绝缘处理。

10.根据权利要求6所述的功率芯片封装方法，其特征在于，所述加压使液态塑封材料注入所述塑封模具包括：

采用注塑机以及压力和厚度可控的辅助工装进行塑封。

11.一种功率芯片封装结构，其特征在于，包括：

第一盖板，所述第一盖板上设置有凸台；

功率芯片子模组，包括塑封外壳和设置在所述塑封外壳内的烧结子模组，其中所述烧结子模组包括烧结在一起的第一金属垫片、功率芯片和第二金属垫片，所述功率芯片子模组设置在所述第一盖板的凸台上；

第二盖板，所述第二盖板设置在所述功率芯片子模组上。

12.根据权利要求11所述的功率芯片封装结构，其特征在于，所述塑封外壳经由注入塑封模具的液态塑封材料固化后得到，所述塑封材料为耐温在200℃以上的热塑性聚合物材料。

13.根据权利要求11所述的功率芯片封装结构，其特征在于，所述第一盖板和所述第二盖板的材质为高导电材料，其表面均镀有抗氧化膜。