CN108231703B - 一种功率器件模组及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率器件模组及其制备方法，该功率器件模组包括：功率芯片、第一金属膜及第二金属膜，第一金属膜与第二金属膜分别设置于功率芯片的上表面和下表面，解决了现有压接型功率器件接触热阻和接触电阻较高，从而导致功率器件散热性不佳的问题，减少了功率器件模组早期失效的现象。
Description
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，具体涉及一种功率器件模组及其制备方法。
背景技术
压接式IGBT模块由于其芯片布局密集、双面散热、功率密度大、可靠性高、易于串联，压接式IGBT模块串联使主电路结构大为简化，控制复杂性大为降低，所需器件减少，使装置更加紧凑、重量更轻，可靠性不会随着装置电压风机的提高而明显降低。因此，压接型IGBT器件逐渐在电网中成为主流器件，非常适用于电力系统、电力机车、智能电网等高压大功率应用场合，并且随着电压、电流参数的迅速提高，目前已经在电力机车、智能电网等领域迅速推广，并在柔性直流输电换流阀和直流断路器中得到了大量应用。
目前的压接型IGBT器件的组装采用钼片+芯片+钼片+银片直接叠加的技术方案，功率器件的接触热阻、接触电阻较高，从而导致功率器件的散热性不佳。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明提出了一种功率器件模组及其制备方法，用以解决现有压接型功率器件接触热阻和接触电阻较高，从而导致功率器件散热性不佳的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种功率器件模组，包括：功率芯片、第一金属膜及第二金属膜；所述第一金属膜与第二金属膜分别设置于所述功率芯片的上表面和下表面。
在一实施例中，所述第一金属膜与第二金属膜均为纳米银膜。
在一实施例中，所述功率器件模组还包括：第三金属膜和第四金属膜；所述第三金属膜位于所述功率芯片上表面与所述第一金属膜之间，所述第四金属膜位于所述功率芯片下表面与所述第二金属膜之间；所述第三金属膜与第四金属膜均以真空离子溅射的方式镀于所述功率芯片上。
在一实施例中，所述第三金属膜和第四金属膜均为金属银膜。
在一实施例中，所述功率器件模组还包括：第一金属片和第二金属片；所述第一金属片设置于所述第一金属膜的上表面，所述第二金属片设置于的所述第二金属膜下表面。
在一实施例中，所述第一金属片和第二金属片均为金属钼片。
在一实施例中，所述功率器件模组还包括：弹性结构，所述弹性结构为一体成型结构，所述弹性结构包括：挡板和弹簧，所述弹簧设置于所述挡板的下表面，在所述挡板的下表面均匀排列；所述挡板内部为多孔结构；所述第二金属片固定设置于所述弹性结构上。
在一实施例中，所述多孔在所述挡板内部均匀排列。
在一实施例中，所述弹性结构采用3D打印工艺制备。
在一实施例中，所述功率器件模组还包括：上压盖，设置于所述第一金属片的上方；所述上压盖的下表面设置有多个凸台，所述多个凸台与所述第一金属片一一对应设置。
在一实施例中，所述功率器件模组还包括：覆铜陶瓷基板，所述覆铜陶瓷基板设置于所述弹性结构上；所述功率芯片的门极通过金属引线与所述覆铜陶瓷基板连接。
本发明还提供一种功率器件模组的制备方法，包括：将第一金属膜与第二金属膜分别设置于功率芯片的上表面和下表面。
在一实施例中，将第一金属膜与第二金属膜分别设置于功率芯片的上表面和下表面之前，还包括：将所述第一金属膜设置于第一金属片的下表面，将所述第二金属膜设置于第二金属片的上表面；将功率芯片的上表面和下表面分别镀上第三金属膜和第四金属膜。
在一实施例中，所述第三金属膜位于所述功率芯片上表面与所述第一金属膜之间，所述第四金属膜位于所述功率芯片下表面与所述第二金属膜之间。
在一实施例中，将第一金属膜与第二金属膜分别设置于功率芯片的上表面和下表面之后，还包括：采用3D打印工艺制备弹性结构，所述弹性结构包括挡板和弹簧，为一体成型结构；将所述第二金属片和覆铜陶瓷基板分别设置于所述弹性结构上；将所述功率芯片的门极通过金属引线与所述覆铜陶瓷基板连接；将上压盖设置于所述第一金属片上。
本发明还提供一种功率器件封装结构，包括所述的功率器件模组。
本发明技术方案，与现有技术相比，至少具有如下优点：
本发明提供一种功率器件模组及其制备方法，该功率器件模组包括：功率芯片、第一金属膜及第二金属膜，第一金属膜与第二金属膜分别设置于功率芯片的上表面和下表面，解决了现有压接型功率器件接触热阻和接触电阻较高，从而导致功率器件散热性不佳的问题，减少了功率器件模组早期失效的现象。
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为本发明实施例中功率器件模组的一个具体示例的原理框图；
图2为本发明实施例中功率器件模组的另一个具体示例的原理框图；
图3为本发明实施例中功率器件模组的一个具体示例的示意图；
图4为本发明实施例中弹性结构的一个具体示例的剖面图；
图5为本发明实施例中功率芯片与覆铜陶瓷基板键合的一个具体示例的示意图；
图6为本发明实施例中功率器件模组的制备方法的一个具体示例的流程图；
图7为本发明实施例中烧结工艺的一个具体示例的曲线图；
图8为本发明实施例中功率器件模组的制备方法的另一个具体示例的流程图；
图9为本发明实施例中芯片烧结品的一个具体示例的示意图；
图10为本发明实施例中芯片烧结品与弹性结构焊接体的一个具体示例的示意图；
图11为本发明实施例中功率器件模组组装的一个具体示例的示意图。
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“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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。
本发明实施例提供了一种功率器件模组，如图1所示，该功率器件模组包括：功率芯片5、第一金属膜3及第二金属膜8；第一金属膜3与第二金属膜8分别设置于功率芯片5的上表面和下表面。
上述功率芯片5为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或快恢复二极管(FRD)；在一较佳实施例中，上述第一金属膜3与第二金属膜8均为纳米银膜，纳米银膜的厚度均为20-40μm，纳米银膜中纳米银的平均直径为10-30nm，纳米银的质量分数均在40-60％之间，纳米银的纯度均在99％以上，且纳米银膜以加压烧结的方式分别设置于功率芯片5的上表面和下表面。本发明实施例提供的功率器件模组解决了现有压接型功率器件接触热阻和接触电阻较高，从而导致功率器件散热性不佳的问题，减少了功率器件模组早期失效的现象。
如图2所示，本发明实施例提供的功率器件模组还包括：第三金属膜4和第四金属膜7，该第三金属膜4和第四金属膜7均为金属银膜，且均以真空离子溅射的方式镀于功率芯片5上，以实现上述第一金属膜3和第二金属膜8中纳米银的转移与烧结；第三金属膜4位于功率芯片5上表面与第一金属膜3之间，第四金属膜7位于功率芯片5下表面与第二金属膜8之间。
如图2所示，本发明实施例提供的功率器件模组还包括：第一金属片2和第二金属片9，第一金属片2和第二金属片9均为金属钼片，第一金属膜3以加压烧结的方式设置于第一金属片2的下表面，第二金属膜8以加压烧结的方式设置于第二金属片9的上表面。
如图2和图3所示，本发明实施例提供的功率器件模组还包括：弹性结构10，该弹性结构10的材料为金属钼，为一体成型结构，在一较佳实施例中，可以是采用3D打印工艺制备得到，该一体成型结构避免了接触不良现象，增强了功率器件模组的可靠性。如图4所示，该弹性结构10包括：挡板101和弹簧102，弹簧102设置于挡板101的下表面，在挡板101的下表面均匀排列；如图4所示，挡板101内部为多孔结构，该多孔结构为在挡板101内部均匀排列的圆孔，圆孔直径为1-20μm，该多孔结构有利于保证功率器件模组的弹性以及功率芯片5受压力的均匀性。
如图2和图3所示，本发明实施例提供的功率器件模组还包括：上压盖1，设置于第一金属片2的上方，该上压盖1的下表面设置有多个凸台，该多个凸台与第一金属片2一一对应设置，该凸台结构能够减少功率芯片5受压时产生的弯曲现象，提高功率芯片5的耐机械压力能力。
如图2及图5所示，本发明实施例提供的功率器件模组还包括：覆铜陶瓷基板6，覆铜陶瓷基板6与功率芯片5均设置于弹性结构10上，功率芯片5通过第二金属片9设置于弹性结构10上；如图5所示，功率芯片5的门极通过金属铝线以引线键合的方式与覆铜陶瓷基板6连接。
本发明实施例还提供一种功率器件模组的制备方法，如图6所示，该功率器件模组的制备方法包括：
步骤S3：将第一金属膜3与第二金属膜8分别设置于功率芯片5的上表面和下表面。
上述第一金属膜3与第二金属膜8均为纳米银膜，且以加压烧结的方式分别设置于功率芯片5的上表面和下表面，如图7所示，该加压烧结可以是从室温以6-10℃/min的升温速率升至250-350℃，并保温20-60min，加压压力可以是20-30MPa。通过上述步骤S3，本发明实施例提供的功率器件模组的制备方法解决了现有压接型功率器件接触热阻和接触电阻较高，从而导致功率器件散热性不佳的问题，减少了功率器件模组早期失效的现象。
如图8所示，在通过上述步骤S3将第一金属膜3与第二金属膜8分别设置于功率芯片5的上表面和下表面之前，还包括：
步骤S1：将第一金属膜3设置于第一金属片2的下表面，将第二金属膜8设置于第二金属片9的上表面。
上述第一金属膜3以加压烧结的方式设置于第一金属片2的下表面，第二金属膜8以加压烧结的方式设置于第二金属片9的上表面，加压烧结可以是从室温以6-10℃/min的升温速率升至120-150℃，并保温10-15min，加压压力可以是2-6MPa。
步骤S2：将功率芯片5的上表面和下表面分别镀上第三金属膜4和第四金属膜7。
具体地，第三金属膜4与第四金属膜7均为金属银膜，采用真空离子溅射的方式将金属银膜分别镀于功率芯片5的上表面和下表面。
通过上述步骤S1至步骤S3，得到芯片烧结品，如图9所示，该芯片烧结品从上至下依次包括：第一金属片2-第一金属膜3-第三金属膜4-功率芯片5-第四金属膜7-第二金属膜8-第二金属片9，该芯片烧结品的双面烧结连接层致密，双面烧结连接层为分布均匀的纳米级孔洞，空洞率低于6％，芯片烧结剪切强度在20MPa以上，该空洞率及芯片烧结剪切强度的数据也表明，纳米银膜烧结工艺在10×10mm的大面积芯片连接试验中，已经可以获得高质量的连接接头，且功率芯片5单面烧结后的子模组较全压接子模组热阻值下降了10％，芯片烧结后机械强度也有大幅度提高。
优选地，上述步骤S1与步骤S3中的加压烧结均采用多动态加压装置，以在烧结过程中控制芯片烧结品的一致性。
如图8所示，本发明实施例提供的功率器件模组的制备方法还包括：
步骤S4：采用3D打印工艺制备弹性结构10，该弹性结构10包括挡板101和弹簧102，为一体成型结构。
可选地，在本发明的一些实施例中，上述弹性结构10可以是采用3D打印工艺制备得到，该弹性结构10包括挡板101和弹簧102，弹簧102位于挡板101的下表面，在挡板101的下表面均匀排列；如图4所示，挡板101内部为多孔结构，该多孔结构为在挡板101内部均匀排列的圆孔，圆孔直径为1-20μm，该多孔结构有利于保证功率器件模组的弹性以及功率芯片5受压力的均匀性。
步骤S5：将上述芯片烧结品和覆铜陶瓷基板6分别设置于弹性结构10上。
具体地，如图10所示，采用回流焊工艺，将上述芯片烧结品和覆铜陶瓷基板6焊接在弹性结构10上，所用焊接材料为低温锡银焊片，焊片熔点约为217℃，远小于银的熔点916℃，焊片厚度为20μm-50μm。
步骤S6：将功率芯片5的门极通过金属引线与覆铜陶瓷基板6连接。
步骤S7：如图11所示，将上压盖1设置于第一金属片2上。
具体地，上压盖1的下表面设置有多个凸台，该多个凸台与第一金属片2一一对应设置，该凸台结构能够减少功率芯片5受压时产生的弯曲现象，提高功率芯片5的耐机械压力能力。
通过上述步骤S1至步骤S7，完成了功率器件模组的制备，需要说明的是，上述序号S1-S7不构成对本发明功率器件封装结构的制造方法的顺序限定，各步骤之间只要不构成冲突就可以进行互换，本发明不以此为限。
本发明实施例还提供一种功率器件封装结构，包括上述的功率器件模组，通过改变功率芯片5的并联数量可对功率器件模组的电流容量进行调节，通过将多个功率器件模组并联，可实现对功率器件封装结构的扩容。
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 (12)
1.一种功率器件模组，其特征在于，包括：功率芯片(5)、第一金属膜(3)及第二金属膜(8)；
所述第一金属膜(3)与第二金属膜(8)分别设置于所述功率芯片(5)的上表面和下表面；
所述的功率器件模组还包括：第一金属片(2)和第二金属片(9)；
所述第一金属片(2)设置于所述第一金属膜(3)的上表面，所述第二金属片(9)设置于所述第二金属膜(8)的下表面；
所述功率器件模组还包括：弹性结构(10)，所述弹性结构(10)为一体成型结构，所述弹性结构(10)包括：挡板(101)和弹簧(102)，所述弹簧(102)设置于所述挡板(101)的下表面，在所述挡板(101)的下表面均匀排列；所述挡板(101)内部为多孔结构；所述第二金属片(9)固定设置于所述弹性结构(10)上。
2.根据权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于，所述第一金属膜(3)与第二金属膜(8)均为纳米银膜。
3.根据权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于，还包括：第三金属膜(4)和第四金属膜(7)；
所述第三金属膜(4)位于所述功率芯片(5)上表面与所述第一金属膜(3)之间，所述第四金属膜(7)位于所述功率芯片(5)下表面与所述第二金属膜(8)之间；
所述第三金属膜(4)与第四金属膜(7)均以真空离子溅射的方式镀于所述功率芯片(5)上。
4.根据权利要求3所述的功率器件模组，其特征在于，所述第三金属膜(4)和第四金属膜(7)均为金属银膜。
5.根据权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于，所述第一金属片(2)和第二金属片(9)均为金属钼片。
6.根据权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于，所述多孔在所述挡板(101)内部均匀排列。
7.根据权利要求6所述的功率器件模组，其特征在于，所述弹性结构(10)采用3D打印工艺制备。
8.根据权利要求5所述的功率器件模组，其特征在于，还包括：上压盖(1)，设置于所述第一金属片(2)的上方；
所述上压盖(1)的下表面设置有多个凸台，所述多个凸台与所述第一金属片(2)一一对应设置。
9.根据权利要求1所述的功率器件模组，其特征在于，还包括：覆铜陶瓷基板(6)，所述覆铜陶瓷基板(6)设置于所述弹性结构(10)上；
所述功率芯片(5)的门极通过金属引线与所述覆铜陶瓷基板(6)连接。
10.一种功率器件模组的制备方法，其特征在于，包括：
将第一金属膜(3)与第二金属膜(8)分别设置于功率芯片(5)的上表面和下表面；
将第一金属膜(3)与第二金属膜(8)分别设置于功率芯片(5)的上表面和下表面之前，还包括：
将所述第一金属膜(3)设置于第一金属片(2)的下表面，将所述第二金属膜(8)设置于第二金属片(9)的上表面；
将功率芯片(5)的上表面和下表面分别镀上第三金属膜(4)和第四金属膜(7)；
采用3D打印工艺制备弹性结构(10)，所述弹性结构(10)包括挡板(101)和弹簧(102)，为一体成型结构；
将第一金属膜(3)与第二金属膜(8)分别设置于功率芯片(5)的上表面和下表面之后，还包括：
将所述第二金属片(9)和覆铜陶瓷基板(6)分别设置于所述弹性结构(10)上；
将所述功率芯片(5)的门极通过金属引线与所述覆铜陶瓷基板(6)连接；
将上压盖(1)设置于所述第一金属片(2)上。
11.根据权利要求10所述的功率器件模组的制备方法，其特征在于，所述第三金属膜(4)位于所述功率芯片(5)上表面与所述第一金属膜(3)之间，所述第四金属膜(7)位于所述功率芯片(5)下表面与所述第二金属膜(8)之间。
12.一种功率器件封装结构，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的功率器件模组。
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