CN109979827A - 一种功率器件芯片封装方法 - Google Patents

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尤显平
刘动景
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Abstract

本发明公开了一种功率器件芯片封装方法,属于微电子封装技术领域。本发明的功率器件芯片封装方法包括:将纳米银焊膏以均匀厚度印刷在基板上;将导热薄片贴装在纳米银焊膏上;在导热薄片上再次印刷均匀厚度的纳米银焊膏;将功率器件芯片贴装在纳米银焊膏上;对纳米银焊膏进行无压烧结成型,完成功率器件芯片与基板的键合连接;引线键合;塑封成型完成封装。该发明具有简单、高可靠性、高良率、高产率的特点。

Description

一种功率器件芯片封装方法
技术领域
本发明涉及微电子封装技术尤其是功率器件芯片封装技术。
背景技术
航空航天、电动汽车和新能源发电技术的飞速发展使得对电力电子系统的性能指标要求日益提高,发展应用于高温等极端环境中的大功率器件芯片是当前电力电子技术领域发展的重点方向。例如,以碳化硅(SiC)材料为代表的第三代宽禁带半导体器件芯片的极限工作温度可达到500℃左右甚至更高温,更能满足未来电力电子技术的发展要求。然而,在这种高温环境下,现有的芯片封装材料-无铅焊料(Pb-free)会熔化导致连接失效,无法适用于大功率器件芯片封装要求。近年来以烧结纳米银技术为代表的低温键合技术是目前功率器件芯片朝高温、高可靠性应用发展的主要趋势,其基本原理是利用纳米尺度的银金属颗粒的高表面能、低熔点特性来实现芯片与基板的低压低温烧结键合。形成的银烧结层具有优良的电、热性能,熔点高,可以承受710℃的最高工作温度,是实现功率器件芯片封装的理想结构。
银烧结层具有明显的多孔特征,孔洞尺寸位于亚微米至微米范围。在烧结工艺过程需要施加压力以便形成孔隙率低、相对致密的烧结层,这导致烧结银层厚度难以准确控制,而且银烧结层厚度局限于几微米到几十微米之间。烧结银层厚度过薄,在高温环境下由于封装结构材料的热膨胀系数(CTE)不同将产生过大的剪切应变和应力集中,导致烧结银层的可靠性严重下降。与此同时,银烧结层在高温环境下会发生晶粒和孔洞的生长,导致微结构粗化,引起银烧结层的本构退化,更易发生疲劳破坏。另外,如果键合的芯片尺寸过大,烧结时将会阻碍银焊膏中有机溶剂的挥发,在烧结层里形成大面积气孔缺陷,导致结合强度显著下降,难以实现高质量和高良率烧结。
因此,为了解决功率器件芯片烧结银键合面临的上述可靠性和良率问题,急需提出一种合理的芯片封装方法,以有效降低功率器件芯片烧结银键合工艺的复杂度和难度,同时提升功率器件芯片封装的可靠性、良率和产率。
发明内容
本发明针对功率器件芯片封装,特别是功率器件芯片烧结银键合技术,提供了一种简单、高可靠性、高良率、高产率的芯片封装方法。
为达成上述目的,本发明提供一种功率器件芯片封装方法,主要包括以下步骤:
步骤1:在功率器件芯片的无源面依次配置第一阻挡层和第一粘接层。在基板上依次配置第二阻挡层和第二粘接层。所述配置方法可以为但不局限于溅射、真空蒸镀和化学镀方法,优选于溅射方法。所述基板可以为但不局限于陶瓷基覆铜板、有机基板和铜基板优,优选铜基板。所述第一阻挡层和第二阻挡层可以为但不局限于钛(Ti)、钽(Ta)和钨(W)等金属材料,优选钛(Ti)。所述第一粘接层和第二粘接层可以为但不局限于银(Ag)、镍(Ni)和金(Au)等金属材料,优选银(Ag)。所述第一阻挡层和第二阻挡层的厚度范围为0.05微米-1.0微米,优选0.1微米。所述第一粘接层和第二粘接层的厚度范围为0.1微米-5.0微米,优选1.0微米。
步骤2:将第一纳米银焊膏层以均匀厚度印刷在基板的第二粘接层上。
步骤3:将导热薄片贴装在第一纳米银焊膏层上。所述导热薄片采用陶瓷(ceramic)等非金属材料或者铜(Cu)等金属材料;所述导热薄片的厚度范围为20微米-200微米,优先80微米。
步骤4:在导热薄片上印刷均匀厚度的第二纳米银焊膏层。
步骤5:将功率器件芯片贴装在第二纳米银焊膏层上。
步骤6:对第一纳米银焊膏层和第二纳米银焊膏层进行无压烧结成型,完成功率器件芯片与基板的键合连接。将印刷完成的功率器件芯片和基板放置于加热台上进行无压烧结成型,形成银烧结层。所述烧结的温度范围设置为250℃-350℃;烧结时间范围设置为15分钟-60分钟;烧结成型完成后所述第一纳米银焊膏层和第二纳米银焊膏层的厚度范围为10微米-50微米,优先20微米。
步骤7:对烧结成型的第一纳米银焊膏层和第二纳米银焊膏层进行氧化处理。所述氧化处理方法采用水蒸气氧化或浸泡吸湿氧化方法。
步骤8:引线键合,采用金属导线进行键合,实现功率器件芯片与外部环境的电气连接。
步骤9:塑封成型,采用环氧树脂塑封料进行塑封,完成功率器件芯片封装。
附图说明
图1是根据本发明制作方法实施完成的功率器件芯片封装结果的剖面示意图。
图2A-图2F是根据本发明制作方法实施例,以图1所示功率器件芯片封装为例的一种功率器件芯片封装方法的制作过程示意图。
上述图中,1为功率器件芯片芯片、2为基板、3为第一阻挡层、4为第二阻挡层、5为第一粘接层、6为第二粘接层、7为第一纳米银焊膏层、8为导热薄片、9为第二纳米银焊膏层、10为环氧树脂塑封料。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
所述的功率器件芯片封装结构请参考图1,结构中按照从下至上空间方位依次为:基板2、第二阻挡层4、第二粘接层6、第一纳米银焊膏层7、导热薄片8、第二纳米银焊膏层9、第一粘接层5、第一阻挡层3、功率器件芯片1,环氧树脂塑封料10包覆密封上述结构。所述基板2可以为但不局限于陶瓷基覆铜板、有机基板和铜基板,优选陶瓷基覆铜板。所述第一阻挡层3和第二阻挡层4可以为但不局限于钛(Ti)、钽(Ta)和钨(W)等金属材料,优选钛(Ti)。所述第一粘接层5和第二粘接层6可以为但不局限于银(Ag)、镍(Ni)和金(Au)等金属材料,优选银(Ag)。所述第一阻挡层3和第二阻挡层4的厚度范围为0.05微米-1.0微米,优选0.1微米。所述第一粘接层5和第二粘接层6的厚度范围为0.1微米-5.0微米,优选1.0微米。烧结成型完成后所述第一纳米银焊膏层和第二纳米银焊膏层的厚度范围为10微米-50微米,优选20微米。所述导热薄片采用陶瓷(ceramic)等非金属材料或者铜(Cu)等金属材料;所述导热薄片的厚度范围为20微米-200微米,优先80微米。
所述的功率器件芯片封装方法包括以下步骤:
步骤1:如图2A所示,在功率器件芯片1的无源面依次配置第一阻挡层3和第一粘接层5。在基板2上依次配置第二阻挡层4和第二粘接层6。所述配置方法可以为但不局限于溅射、真空蒸镀和化学镀方法,优选于溅射方法。所述基板2可以为但不局限于陶瓷基覆铜板、有机基板和铜基板,优选陶瓷基覆铜板。所述第一阻挡层3和第二阻挡层4可以为但不局限于钛(Ti)、钽(Ta)和钨(W)等金属材料,优选钛(Ti)。所述第一粘接层5和第二粘接层6可以为但不局限于银(Ag)、镍(Ni)和金(Au)等金属材料,优选银(Ag)。所述第一阻挡层3和第二阻挡层4的厚度范围为0.05微米-1.0微米,优选0.1微米。所述第一粘接层5和第二粘接层6的厚度范围为0.1微米-5.0微米,优选1.0微米。
步骤2:如图2B所示,将第一纳米银焊膏层7以均匀厚度印刷在基板2的第二粘接层6上。
步骤3:如图2C所示,将导热薄片8贴装在第一纳米银焊膏层7上。所述导热薄片8采用陶瓷(ceramic)等非金属材料或者铜(Cu)等金属材料;所述导热薄片8的厚度范围为20微米-200微米,优先80微米。
步骤4:如图2D所示,在导热薄片8上印刷均匀厚度的第二纳米银焊膏层9。
步骤5:如图2E所示,将功率器件芯片1贴装在第二纳米银焊膏层9上。
步骤6:对第一纳米银焊膏层7和第二纳米银焊膏层9进行无压烧结成型,完成功率器件芯片1与基板2的键合连接。所述烧结的温度范围设置为250℃-350℃;烧结时间范围设置为15分钟-60分钟;烧结成型完成后所述第一纳米银焊膏层和第二纳米银焊膏层的厚度范围为10微米-50微米,优先20微米。
步骤7:对烧结成型的第一纳米银焊膏层7和第二纳米银焊膏层9进行氧化处理。所述氧化处理方法采用水蒸气氧化或浸泡吸湿氧化方法。
步骤8:引线键合,采用金属导线(未画出)进行键合,实现功率器件芯片1与外部环境的电气连接。
步骤9:如图2F所示,塑封成型,采用环氧树脂塑封料10进行塑封包覆密封,完成功率器件芯片封装。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种功率器件芯片封装方法,其特征主要包括以下步骤:
步骤1:在功率器件芯片的无源面依次配置第一阻挡层和第一粘接层;在基板上依次配置第二阻挡层和第二粘接层;
步骤2:将第一纳米银焊膏层以均匀厚度印刷在基板的第二粘接层上;
步骤3:将导热薄片贴装在第一纳米银焊膏层上;
步骤4:在导热薄片上印刷均匀厚度的第二纳米银焊膏层;
步骤5:将功率器件芯片贴装在第二纳米银焊膏层上;
步骤6:对第一纳米银焊膏层和第二纳米银焊膏层进行无压烧结成型,完成功率器件芯片与基板的键合连接;
步骤7:对烧结成型的第一纳米银焊膏层和第二纳米银焊膏层进行氧化处理;
步骤8:引线键合,实现功率器件芯片与外部环境的电气连接;
步骤9:塑封成型,完成功率器件芯片封装。
2.根据权利要求1所述的一种功率器件芯片封装方法,其特征在于,步骤1所述的配置方法采用溅射、真空蒸镀或者化学镀方法。
3.根据权利要求1所述的一种功率器件芯片封装方法,其特征在于,步骤1所述的基板采用陶瓷基覆铜板、有机基板或铜基板。
4.根据权利要求1所述的一种功率器件芯片封装方法,其特征在于,步骤1所述第一阻挡层和第二阻挡层可以选择钛(Ti)、钽(Ta)或钨(W)等金属材料;所述第一粘接层和第二粘接层可以选择银(Ag)、镍(Ni)或金(Au)等金属材料;所述第一阻挡层和第二阻挡层的厚度范围为0.05微米-1.0微米;所述第一粘接层和第二粘接层的厚度范围为0.1微米-5.0微米。
5.根据权利要求1所述的一种功率器件芯片封装方法,其特征在于,步骤3所述导热薄片采用陶瓷等非金属材料或者铜等金属材料;所述导热薄片的厚度范围为20微米-200微米。
6.根据权利要求1所述的一种功率器件芯片封装方法,其特征在于,步骤6所述烧结的温度范围设置为250℃-350℃;烧结时间范围设置为15分钟-60分钟;烧结成型完成后第一纳米银焊膏层和第二纳米银焊膏层的厚度范围为10微米-50微米。
7.根据权利要求1所述的一种功率器件芯片封装方法,其特征在于,步骤7所述氧化处理方法采用水蒸气氧化或浸泡吸湿氧化方法。
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