CN111128900B - Igbt芯片子单元的封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种IGBT芯片子单元封装结构及其制造方法，该封装结构包括IGBT芯片、设置在该IGBT芯片上的栅极、分别与该IGBT芯片的上表面发射极和下表面集电极电连接的上钼片和下钼片以及封装器，其中，在上表面发射极上沿着该IGBT芯片的终端区涂覆有硅橡胶。通过本申请的封装结构及其制造方法，能够对该IGBT芯片终端结构进行钝化保护，避免了外界因素对芯片终端的污染而引起电击穿，提高了芯片的耐压性和长期工作的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域，并且更具体地，涉及一种IGBT芯片子单元的封装结构及其制造方法。
背景技术
功率半导体器件IGBT，即绝缘栅双极型晶体管，是一种MOS场效应结构和双极性晶体管复合的电力电子器件，具有驱动简单、驱动功率小、导通压降低、开关损耗小及电流密度大等优点，在轨道交通、智能电网及工业传动领域具有广泛应用。IGBT模块的封装形式有传统的焊接式和新型的压接式等，其中压接式封装具有功率密度大、双面散热、高可靠性等优点。
压接式IGBT模块通过外部物理压力作用使IGBT及(或)反并联FRD芯片与钼片、上下电极之间形成内部互连，这种方法的优势在于避免使用传统IGBT模块中的引线键合的互连方式，提高了模块的可靠性，减小了模块内部寄生参数，并能够实现模块短路失效模式。这种压接式模块的封装方式对钼片的加工精度要求非常高，表面的任何毛刺都可能损坏芯片表面的金属层及IGBT的栅极氧化层而导致芯片失效。
发明专利CN107210280公开了一种用于高电流密度应用的功率半导体装置，主要从芯片表面金属化角度对芯片结构设计进行优化，通过多层金属沉积保护IGBT表面栅氧层，之后通过双面银烧结对芯片进行封装；发明专利CN105679750A公开了一种压接式半导体模块及其制造方法，该方法与前者类似，同样提出将芯片上表面及下表面通过银烧结工艺与钼片烧结在一起。上述方法可提高芯片封装子单元的机械强度和承压能力，但由于芯片上表面发射极存在终端结构，封装用上钼片通常小于芯片尺寸从而使终端结构暴露在环境中。
发明专利CN108183090公开了一种通过转膜工艺对压接式IGBT芯片双面烧结后的芯片终端区域进行保护的方法，可避免环境对芯片的污染和破坏，降低封装与存储过程中半导体芯片损坏的风险。上述方法虽可保护芯片终端结构，但在转模和脱模过程中，由于转模树脂的流动经常会对芯片表面造成污染，尤其是IGBT栅极受污染后导致芯片电学接触不良。且芯片与钼片边缘整体被树脂包裹，增大了封装子单元平面面积，进而减小了压接模块内部空间利用率。
鉴于上述封装方式存在的不足，提出一种新的封装方式保护芯片终端避免污染引起电击穿。
发明内容
上述技术问题通过本申请提供的IGBT芯片子单元的封装结构及其制造方法得到了解决。
本申请提供的IGBT芯片子单元封装结构，包括IGBT芯片、设置在该IGBT芯片上的栅极、分别与该IGBT芯片的上表面发射极和下表面集电极电连接的上钼片和下钼片以及封装器，其中，在上表面发射极上沿着该IGBT芯片的终端区涂覆有硅橡胶。
通过本申请的封装结构，能够对该IGBT芯片终端结构进行钝化保护，避免了外界因素对芯片终端的污染而引起电击穿，提高了芯片的耐压性和可靠性。同时，硅橡胶增加芯片子单元和封装器之间的粘附力，提高了该封装结构的可靠性。
在一个实施方式中，封装器包括封装器本体和靠近该封装器本体的封装台面一侧设置在该封装器本体中的定位框，以用于与所述上钼片对准定位；此外，由于该封装器尺寸与该IGBT芯片子单元的下钼片一致，其不额外占用IGBT模块内部空间面积，增大了芯片子单元的封装密度，从而增大了模块的电流密度。
在一个实施方式中，定位框包括定位开口，所述定位开口的尺寸和形状构造成恰好容纳该上钼片。通过该实施方式，能够实现芯片子单元在封装时与封装器的自对准。
在一个实施方式中，该定位框从封装器本体内部朝向该封装台面的方向向外延伸并与所述封装台面形成防溢台阶；其中，该防溢台阶沿着该定位框的外圈周向地设置，以用于防止该硅橡胶向IGBT芯片的源区内溢。通过该实施方式，能够实现芯片子单元与封装器的自对准，同时能够防止在封装过程中硅橡胶受到挤压而溢入芯片的源区，从而对其造成污染。
在一个实施方式中，封装器还包括：栅极通孔，其构造成贯穿该封装器本体并与该IGBT芯片上的栅极对应，栅极通孔可以实现封装后子单元栅极针的放置及与主模块的电连接；主模块连接通孔，其设置于该封装器本体的远离所述封装台面的一侧并与该定位框连通以使该IGBT芯片子单元与主模块连接。通过该实施方式，主模块连接通孔可以提供IGBT芯片与主模块的连接通道。
在一个实施方式中，封装器由聚四氟乙烯材料制成。
在一个实施方式中，封装器通过注射成型工艺制成。
在一个实施方式中，主模块连接通孔为圆形或正方形。
本申请还提供了一种制造IGBT芯片子单元的封装结构的方法，该方法包括：步骤1、将IGBT芯片的上表面发射极和下表面集电极分别与上钼片和下钼片电连接，形成IGBT芯片子单元；步骤2、在上表面发射极上沿着该IGBT芯片的终端区涂覆硅橡胶；步骤3、利用该封装器对该IGBT芯片子单元进行封装。通过该方法，通过沿着IGBT芯片的上表面发射极的终端涂覆硅橡胶而避免了芯片终端受到污染引起电击穿，从而提高上述IGBT芯片耐压性及长期工作的可靠性。
在一个实施方式中，该方法还包括步骤4：在栅极孔中插入栅极针，以实现该IGBT芯片子单元的栅极与栅极驱动电路的电连接。
在一个实施方式中，封装器的封装台面的尺寸和形状与该下钼片的尺寸和形状相同。通过该实施方式，可以最大程度增加封装结构的紧凑型，从而增加IGBT芯片子单元的封装密度，进而提高IGBT模块的电流密度。
在一个实施方式中，通过银烧结工艺使该IGBT的上表面发射极和下表面集电极分别与上钼片和下钼片电连接。通过该实施方式，能够提高芯片封装子单元的机械强度和承受外部压力的能力。
以上所述实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1显示了根据本发明实施例的IGBT芯片子单元封装结构在封装之前的结构分解示意图；
图2显示了根据本发明实施例的IGBT芯片子单元封装结构在封装之后的结构示意图；
图3显示了根据本发明另一实施例的IGBT芯片子单元的结构示意图；
图4显示了根据本发明另一实施例的图3中的IGBT芯片子单元沿着I-I’的横截面视图；
图5根据本发明另一实施例的IGBT芯片子单元在涂覆硅橡胶后的结构示意图；
图6和图7显示了根据本发明又一实施例的IGBT芯片子单元封装结构的封装器的结构示意图；
图8显示了根据本发明又一实施例的IGBT芯片子单元封装结构的封装器的沿着图6中的A-A’的横截面视图；
图9显示了根据本发明又一实施例的IGBT芯片子单元封装结构的截面图；
图10显示了根据本发明再一实施例的制造IGBT芯片子单元封装结构的方法的示意性流程图。
附图标记：
100-IGBT芯片子单元封装结构；110-IGBT芯片；111-上表面发射极；112-下表面集电极；113-终端区；120-栅极；130-上钼片；140-下钼片；150-封装器；151-封装器本体；152-定位框；153-防溢台阶；154-栅极通孔；155-栅极针；156-主模块连接通孔；157-封装台面；158-定位圈；159-定位开口；160-硅橡胶；200-制造方法。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1和图2为本申请提供的IGBT芯片子单元封装结构100的结构示意图。如图1和图2所示，该封装结构100包括IGBT芯片110、设置该IGBT芯片上的栅极120、分别与该IGBT芯片110的上表面发射极111和下表面集电极112电连接的上钼片130和下钼片140以及封装器150，在上表面发射极111上沿着IGBT芯片110的终端区113涂覆有硅橡胶160。
通过本申请提供的该IGBT芯片子单元的封装结构，能够对该IGBT芯片终端结构进行钝化保护，避免了外界因素对芯片终端的污染而引起电击穿，提高芯片的耐压性和可靠性。
具体地，如图3和图4所示，首先将该IGBT芯片110的上表面发射极111和下表面集电极112分别与上钼片130和下钼片140电连接以形成IGBT芯片子单元。优选地，通过银烧结工艺使IGBT芯片110与钼片进行双面电连接，以提高芯片封装子单元的机械强度和承受外部压力的能力。在本实施例中，优选地，下钼片140的尺寸略大于IGBT芯片110的尺寸，以确保IGBT芯片110终端不会悬空。优选地，上钼片130尺寸小于IGBT芯片110的尺寸，以确保IGBT芯片110上设置的栅极120不会与上表面发射极111短接。
如图4所示，示出了该IGBT子单元的横截面视图，在该IGBT芯片的边缘部分为终端区113。
接着，如图5所示的，在上表面发射极111上沿着该IGBT芯片110的终端区113涂覆有硅橡胶160构成的橡胶环，其主要起以下两方面的作用：一方面，该硅橡胶160作为芯片终端钝化层，以保护该IGBT芯片110终端不被环境污染；另一方面，该硅橡胶160作为双面烧结后芯片子单元和封装器150的粘附剂，以增强该封装结构的可靠性。优选地，应选用具有高的介电常数和粘附强度的硅橡胶，并且为保证钝化效果，该硅橡胶还应当具有较低的流动性。
在该IGBT芯片110的上表面发射极111的边缘(或边角)位置设置有栅极120。应理解，该栅极120也应当位于由硅橡胶160构成的橡胶环以内，且在封装时不被上钼片130覆盖。
在本申请的一个实施例中，如图6-8所示，为提高该IGBT子单元在封装时的定位准确性，提供了封装器150，在图6中，该封装器150具体包括：
封装器本体151；
靠近封装器本体151的封装台面157一侧设置在封装器本体151中的定位框152，以用于与上钼片130对准定位；优选地，该定位框152居中地设置在封装器本体151中；并且定位框152的形状和尺寸可以根据与之对准的上钼片130的尺寸和形状进行调整。优选地，该定位框152的形状为圆形或方形。
具体地，该定位框152包括定位开口159，在封装过程中，该定位开口159用于对该芯片子单上的上钼片130进行定位。因此，应当使该定位开口159的形状和尺寸构造成恰好容纳该芯片子单元的上钼片130，从而实现该定位框152与芯片子单元的自对准。
该定位框152在封装器本体151内部具有一定的深度，在该定位框152的底部为周向设置的定位圈158，在封装过程中，该定位圈158用于和上钼片130的表面接触以防止防溢台阶153对芯片终端造成过大压力。
如图8所具体示出的，在一个实施方式中，该定位框152(或定位开口159)从封装器本体151的内部朝向该封装器本体151的封装台面157的方向向外延伸并与封装台面157形成防溢台阶153。
其中，该防溢台阶153沿着定位框152的外表面周向地设置，以用于防止硅橡胶160在封装过程中受到挤压而向IGBT芯片110的源区内溢。
为保证该防溢台阶153良好的阻挡硅橡胶的效果，应当将该防溢台阶153构造成其上表面在封装时与IGBT芯片110的上表面发射极111的边缘接触，即该防溢台阶153的上表面距离定位圈158的距离等于该上钼片130的厚度，即定位开口的深度等于该上钼片130的高度。因此在封装时，在上表面发射极111上沿着终端区113涂覆的硅橡胶160不会向该IGBT芯片的源区内溢。
在一个实施方式中，图6和图8还具体示出了该定位框152还包括栅极通孔154，其优选地设置于定位框152的边角位置并贯穿该定位框152。在封装过程中，该栅极通孔154应当与栅极120在IGBT芯片110上的位置相对应，以便在封装结束之后能够在栅极通孔154中插入栅极针155，从而使栅极120与栅极驱动电路电连接。
应理解，该栅极通孔154的位置可以为任意的位置，只要满足栅极通孔154与栅极120的位置对应均在本申请的保护范围内。
应理解，在图6-图9中，本申请的封装器150还包括主模块连接通孔156，其设置在封装器本体151的远离封装台面157的一侧并与该定位框152连通，以便提供IGBT芯片与主模块的连接通道。
可选地，在图7和图9中具体示出了该主模块连接通孔156从该封装器本体151上突出以形成筒状结构；优选地，该主模块连接通孔156的截面形状为圆形或方形。
优选地，该定位框152、封装器本体151和主模块连接通孔156为一体式结构，以便于加工制造，降低芯片子单元封装成本。
本申请的封装器150可以由多种材料制成，为保证良好的封装效果，封装器150应当具有较强的绝缘强度和机械性能。优选地，该封装器150由聚四氟乙烯(PTFE)材料制成。
另外，该封装器150还可以采用多种工艺制成，例如铸造成型、注射成型以及模锻成型等。优选地，通过注射成型工艺制成从而降低封装成本。
应理解，本申请的封装器150的封装器本体151的封装台面157的尺寸和形状应当与该IGBT子单元的下钼片140的尺寸和形状相同，避免额外占用模块内部空间，最大程度增加封装结构的紧凑性，从而增加IGBT芯片子单元的封装密度，进而提高IGBT模块的电流密度。
通过本申请提供的具有定位功能的封装器，能够实现芯片子单元与封装器的自对准，同时主模块连接通孔可以提供IGBT芯片与主模块的连接通道，栅极通孔则提供封装后子单元栅极针的定位。此外，由于该封装器尺寸与该IGBT芯片子单元的下钼片一致，其不额外占用IGBT模块内部空间面积，增大了芯片子单元的封装密度，从而增大了模块的电流密度。
在本申请的另一实施例中，如图10所示，提供了一种IGBT芯片子单元封装结构的制造方法200，该制造方法200包括：
S210，将IGBT芯片110的上表面发射极111和下表面集电极112分别与上钼片130和下钼片140电连接；
S220、在上表面发射极111上沿着所述IGBT芯片110的终端区113涂覆硅橡胶160；
S230、利用所述封装器150对所述IGBT芯片子单元进行封装。
其中，在S210中，可以通过银烧结工艺实现IGBT芯片的上表面发射极111和下表面集电极112与钼片的双面电连接，以便提高芯片封装子单元的机械强度和承受外部压力的能力。
在S220中，通过在上表面发射极111上沿着IGBT芯片110的终端区113涂覆硅橡胶160，该硅橡胶160一方面作为芯片终端钝化层，保护该IGBT芯片110终端不被环境污染；另一方面作为双面烧结后芯片子单元和封装器150的粘附剂。
在S230中，首先将该封装器150的封装台面157朝向该芯片子单元的上钼片130，接着使该定位框152的定位开口159与上钼片130对准，然后施加外力使封装器150与芯片子单元通过作为粘结剂的硅橡胶160进行连接。此时，上钼片130的上表面接触到定位圈158，防溢台阶153的上表面接触到上表面发射极111，从而将上钼片130容纳在定位开口159中，并且该防溢台阶153阻挡了硅橡胶160向芯片源区内溢。
在一个实施例中，该制造方法200还包括：等硅橡胶160固化后，在栅极通孔154中插入栅极针155，以实现该IGBT芯片子单元的栅极与栅极驱动电路的电连接。
通过本申请的制造IGBT芯片子单元封装结构100的方法，能够通过沿着IGBT芯片的终端区涂覆硅橡胶而避免了芯片终端受到污染引起电击穿，从而提高芯片耐压性及长期工作的可靠性；同时通过使用本申请的具有定位功能的封装器，能够使该IGBT芯片子单元封装结构具有定位对准功能，且能够提高该IGBT模块内部面积利用率，增大该IGBT模块内子单元封装密度。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (9)
1.一种IGBT芯片子单元的封装结构，包括IGBT芯片、设置在所述IGBT芯片上的栅极、分别与所述IGBT芯片的上表面发射极和下表面集电极电连接的上钼片和下钼片以及封装器，其特征在于，在所述上表面发射极上沿着所述IGBT芯片的终端区涂覆有硅橡胶构成的橡胶环；
所述封装器包括封装器本体和靠近所述封装器本体的封装台面一侧设置在所述封装器本体中的定位框，以用于与所述上钼片对准定位。
2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述定位框包括定位开口，所述定位开口的尺寸和形状构造成恰好容纳所述上钼片。
3.根据权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述定位框从所述封装器本体内部朝向所述封装台面的方向向外延伸并与所述封装器台面形成防溢台阶；
其中，所述防溢台阶沿着所述定位框的外圈周向地设置，以用于防止所述硅橡胶向所述IGBT芯片的源区内溢。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的封装结构，其特征在于，所述封装器还包括：
栅极通孔，其构造成贯穿所述封装器本体并与所述IGBT芯片上的所述栅极的区域对应；
主模块连接通孔，其设置于所述封装器本体的远离所述封装台面的一侧并与所述定位框连通以提供所述IGBT芯片与主模块的连接通道。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的封装结构，其特征在于，所述封装器由聚四氟乙烯材料制成。
6.根据权利要求3至3中任一项所述的封装结构，其特征在于，所述封装器通过注射成型工艺制成。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的封装结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将IGBT芯片的上表面发射极和下表面集电极分别与上钼片和下钼片进行电连接，形成IGBT芯片子单元；
步骤2、在所述上表面发射极上沿着所述IGBT芯片的终端区涂覆硅橡胶；
步骤3、利用所述封装器对所述IGBT芯片子单元进行封装。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在步骤1中，通过银烧结工艺使所述IGBT的上表面发射极和下表面集电极分别与所述上钼片和所述下钼片电连接。
9.根据权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
步骤4、在栅极通孔中插入栅极针。
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