CN111524862A - 一种芯片封装电极及其制备方法和芯片封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种芯片封装电极及其制备方法和芯片封装结构。该芯片封装电极，包括：电极板以及在所述电极板上层叠设置的第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层，其中，所述第一钼铜合金层和第二钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离所述电极板的方向上均逐渐增大，所述弹性层由铜和弹性体形成的复合材料制成。第一钼铜合金层和第二钼铜合金层中，铜保证该电极具有优良的导电性能，由于钼的热膨胀系数与芯片更匹配，从而降低了热膨胀系数不匹配对电极或芯片所造成的损害；弹性层中，铜保证了电极的导电性能，弹性体的添加增加了电极的弹性，进一步降低了对芯片的机械损伤风险。上述封装电极结构紧凑，电极与芯片距离适宜，保证了芯片的良好散热。
Description
技术领域
本发明涉及芯片封装技术领域，具体涉及一种芯片封装电极及其制备方法和芯片封装结构。
背景技术
目前，功率型半导体器件发展迅速，例如，晶闸管、绝缘栅双极晶体管(IGBT)广泛应用于新能源、输变电、轨道交通、冶金以及化工等领域。压接式封装是功率型半导体器件封装的一种重要形式，特别是在IGBT芯片封装中得到了广泛应用，在压接式封装结构中，IGBT模块的发射极与集电极通过压力的形式与芯片封装电极进行连接。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、易于串联等优势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。
基于上述优点，压接IGBT模块串联将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，在柔性直流输电、柔性交流输电、定制电力园区、“全国联网”工程、海上风电接入、光伏接入等工程建设中具有广泛的应用。因此，压接型IGBT器件逐渐在电网中成为主流器件，并在我国开发的柔性直流输电换流阀和直流断路器中得到了大量应用。
目前主流压接封装形式以全刚性压接结构(东芝器件)和弹性压接器件(ABB器件)两种封装结构为主，其中，东芝刚性压接器件，钼片与芯片电极直接刚性接触，芯片存在机械损伤的风险，同时芯片与钼片之间接触界面较多，接触热阻与接触电阻较大；ABB器件引用碟簧的弹性结构，解决了芯片受力问题，大大降低了芯片机械损坏的现象，但弹性组件的引入造成弹性电极距离芯片距离变大，大大影响了芯片的散热，因此ABB器件的热阻远大于东芝器件的热阻，从而导致器件的损耗加大，结温升高，对芯片的可靠性提出了更加严苛的环境。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的刚性压接式芯片封装结构机械损伤风险大、弹性压接式芯片封装结构芯片散热差的缺陷，从而提供一种芯片封装电极及其制备方法和芯片封装结构。
第一方面，本发明提供一种芯片封装电极，包括：电极板以及在所述电极板上层叠设置的第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层，其中，所述第一钼铜合金层和第二钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离所述电极板的方向上均逐渐增大，所述弹性层由铜和弹性体形成的复合材料制成。
进一步地，所述电极板为铜板。
进一步地，所述第一钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离所述电极板的方向上由0％增至30％～55％；
所述第二钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离所述电极板的方向上由0％～5％增至100％。
进一步地，以形成所述弹性层的复合材料的总质量计，弹性体的质量百分比为10～20％。
进一步地，在所述电极板和所述第一钼铜合金层之间，还包括：铜金属层。
进一步地，所述铜金属层的厚度为5-10mm。
进一步地，所述第一钼铜合金层、弹性层、第二钼铜合金层的厚度均为5-10mm。
进一步地，所述弹性体为硅橡胶。
进一步地，形成所述弹性层的复合材料具有多孔结构。
进一步地，形成所述弹性层的复合材料具有蜂窝结构，所述蜂窝结构空腔的横截面为菱形。
第二方面，本发明提供一种所述的芯片封装电极的制备方法，包括：
在所述电极板上依次形成所述第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层。
进一步地，所述的芯片封装电极的制备方法，
采用3D打印工艺在所述电极板上依次形成所述第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层，得到合金成形件；
将所述合金成形件进行热处理，得到所述芯片封装电极。
进一步地，形成所述第一钼铜合金层和第二钼铜合金层的方法包括：
采用激光束加热钼和铜的混合粉末，使所述钼和铜的混合粉末熔合形成激光熔覆层。
进一步地，所述钼和铜的混合粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm。
进一步地，形成所述弹性层的方法包括：
采用激光束加热铜和弹性体的混合粉末，使所述铜和弹性体的混合粉末熔合形成激光熔覆层。
进一步地，所述铜和弹性体的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm。
进一步地，所述激光束的扫描速率为1000～1200mm/s；所述激光束的激光功率为200W～250W；所述激光束的扫描间距为0.07～0.11mm。
进一步地，所述热处理包括：将所述合金成形件于673K～773K下保温1～2小时，再升温至1073K～1173K，保温3～4小时，冷却。
第三方面，本发明提供所述的芯片封装电极，或者所述的制备方法得到的芯片封装电极在绝缘栅双极型晶体管芯片封装中的应用。
第四方面，本发明提供一种芯片封装结构，包括所述的芯片封装电极，或者所述的制备方法得到的芯片封装电极。
进一步地，所述的芯片封装结构，包括：管壳以及沿所述管壳的轴向依次压接的集电极、钼片、芯片和所述芯片封装电极。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的芯片封装电极，包括电极板以及在所述电极板上层叠设置的第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层。第一钼铜合金层和第二钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离所述电极板的方向上均逐渐增大，一方面，铜保证该电极具有优良的导电性能，另一方面，使其越靠近芯片的一侧钼含量越高，由于钼的热膨胀系数与芯片更匹配，从而降低了热膨胀系数不匹配对电极或芯片所造成的损害。弹性层由铜和弹性体形成的复合材料制成，铜保证了电极的导电性能，弹性体的添加增加了电极的弹性，进一步降低了对芯片的机械损伤风险。同时，上述封装电极结构紧凑，电极与芯片距离适宜，保证了芯片的良好散热。
2.本发明提供的芯片封装电极，在电极板和第一钼铜合金层之间还包括铜金属层。铜金属层的引入有利于电极板与第一钼铜合金层之间的过渡，增加电极的导电性能。
3.本发明提供的芯片封装电极，形成弹性层的复合材料具有多孔结构。多孔结构有利于电极在受到挤压时释放内部应力，可以降低封装过程中对零部件的尺寸公差要求，均衡降低芯片表面压力，提高芯片良率。
4.本发明提供的芯片封装电极的制备方法，采用3D打印工艺在电极板上依次形成第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层，得到合金成形件；将合金成形件进行热处理。3D打印工艺的应用有利于第一钼铜合金层和第二钼铜合金层中钼、铜含量的灵活调整，且有利于弹性层中铜和弹性体的均匀分布。
5.本发明提供的芯片封装电极在绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片封装中的应用，使用本发明提供的芯片封装电极，既具有金属的导电性能又具有一定弹性，应用于IGBT封装中，从而得到一种介于刚性压接与弹性压接之间的芯片封装结构，并且该电极整体性好，封装时可直接与芯片压接，操作简便。
6.本发明提供的芯片封装结构，包括本发明提供的芯片封装电极，结构整体芯片散热性好，且芯片在封装和使用过程中不易遭到破坏，结构稳定性好。
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为本发明实施例提供的一种芯片封装电极的层结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种芯片封装电极的层结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种芯片封装电极的立体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种芯片封装电极中弹性层的内部结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种芯片封装结构的示意图；
图6为现有技术中一种刚性压接式芯片封装结构的示意图；
图7示出了本发明提供的一种芯片封装电极的应变与拉伸强度的关系；
图8示出了本发明提供的一种芯片封装电极中弹性层的硅橡胶含量与电极弹性模量的关系；
图9示出了本发明提供的一种芯片封装电极中弹性层的硅橡胶含量与电极电导率的关系；
图10示出了本发明提供的一种芯片封装电极电导率随压力的变化；
图11示出了本发明测试例3中测试设备连接关系示意图。
附图标记说明：
1-电极板；2-第一钼铜合金层；3-弹性层；4-第二钼铜合金层；5-铜金属层；6-管壳；7-集电极；8-集电极钼片；9-芯片；10-绝缘框架；11-PCB板；12-栅极顶针；13-发射极钼片；14-银片；15-铜凸台；16-发射极；17-加压机构上板；18-加压机构下板；19-上绝缘板；20-下绝缘板；21-待测样品。
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”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“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。
芯片封装电极
本发明提供一种芯片封装电极，包括：电极板以及在电极板上层叠设置的第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层，其中，第一钼铜合金层和第二钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离电极板的方向上均逐渐增大，弹性层由铜和弹性体形成的复合材料制成。
本发明提供的芯片封装电极，包括电极板以及在电极板上层叠设置的第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层。第一钼铜合金层和第二钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离电极板的方向上均逐渐增大，一方面，铜保证该电极具有优良的导电性能，另一方面，使其越靠近芯片的一侧钼含量越高，由于钼的热膨胀系数与芯片更匹配，从而降低了热膨胀系数不匹配对电极或芯片所造成的损害。弹性层由铜和弹性体形成的复合材料制成，铜保证了电极的导电性能，弹性体的添加增加了电极的弹性，进一步降低了对芯片的机械损伤风险。同时，上述封装电极结构紧凑，电极与芯片距离适宜，保证了芯片的良好散热。
如图1所示，提供芯片封装电极的一种具体实施方式，由电极板1以及在电极板1上层叠设置的第一钼铜合金层2、弹性层3和第二钼铜合金层4组成。
如图2所示，提供芯片封装电极的另一种具体实施方式，由电极板1以及在电极板1上层叠设置的铜金属层5、第一钼铜合金层2、弹性层3和第二钼铜合金层4组成。铜金属层5的引入有利于电极板1与第一钼铜合金层2之间的过渡，增加电极的导电性能。
如图3所示，提供了芯片封装电极的立体结构示意图。第二钼铜合金层4用于与芯片进行压接，故需要参照芯片有源区面积控制其尺寸，优选地，其与芯片接触面的面积为芯片有源区面积的90％，留有10％的应力释放区。
上述电极板1的一种实施方式，可以选择现有技术中芯片封装使用的电极板，例如IGBT芯片封装的电极板为铜板或钼铜合金板。
上述第一钼铜合金层2的一种实施方式，钼的质量百分比沿背离电极板的方向上由0％增至30％～55％。可选地，钼的质量百分比沿背离电极板的方向上由0％增至50％。当第一钼铜合金层2具有上述特征时，芯片封装电极具有更优的导电性能并且与芯片热膨胀系数匹配更佳。优选地，第一钼铜合金层2的厚度为5-10mm。
上述第二钼铜合金层4的一种实施方式，第二钼铜合金层4中钼的质量百分比沿背离电极板的方向上由0％～5％增至100％。可选地，第二钼铜合金层4中钼的质量百分比沿背离电极板的方向上由0％增至100％。第二钼铜合金层4背离电极板1的一侧上钼的质量百分比达到100％，使芯片封装电极与芯片热膨胀系数匹配更佳。优选地，第二钼铜合金层4的厚度为5-10mm。
优选地，上述铜金属层5的厚度为0.5-1mm。
上述弹性层3的一种实施方式，以形成弹性层3的复合材料的总质量计，弹性体的质量百分比为10～20％。当弹性层3中弹性体的质量百分比控制在上述范围时，在保证了芯片封装电极的导电性能基础上具有较好的弹性。优选地，弹性层3的厚度为0.5-1mm。弹性体可以为硅橡胶。
形成弹性层3的复合材料可以为密实结构或具有多孔结构。优选地，形成弹性层3的复合材料具有多孔结构。多孔结构有于电极在受到挤压时释放内部应力，可以降低封装过程中对零部件的尺寸公差要求，均衡降低芯片表面压力，提高芯片良率。作为一种可选实施方式，形成弹性层3的复合材料具有如图4所示的蜂窝结构，蜂窝结构空腔的横截面为菱形。需要说明的是，图4仅为蜂窝结构的部分示意图，实际为图4所示结构在三维空间内的延伸。上述蜂窝结构能够进一步增加弹性层3的弹性，有利于降低芯片表面压力，提高芯片良率。
芯片封装电极的制备方法
本发明还提供一种所述芯片封装电极的制备方法，包括：
在电极板1上依次形成第一钼铜合金层2、弹性层3和第二钼铜合金层4。
凡是能够形成上述芯片封装电极结构的常规制备方法均在本发明请求保护的范围内。
作为制备方法的一种可选实施方式，按照如下步骤进行制备：
采用3D打印工艺在电极板上依次形成第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层，得到合金成形件；
将合金成形件进行热处理，得到芯片封装电极。
3D打印工艺的应用有利于第一钼铜合金层和第二钼铜合金层中钼、铜含量的灵活调整，且有利于弹性层中铜和弹性体的均匀分布。
以下给出具体操作方式：
(1)在电极板上铺设铜粉末，用激光束选区加热选定区域的铜粉末，使选定区域的铜粉末熔合，在电极板表面形成激光熔覆层，打印至预定高度，即得到铜金属层；
(2)在步骤(1)得到的铜金属层上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在铜金属层表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比逐渐增大，即得到第一钼铜合金层；
(3)在步骤(2)得到的第一钼铜合金层上铺设铜和弹性体的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的铜和弹性体的混合粉末，使选定区域的铜和弹性体的混合粉末熔合，在第一钼铜合金层表面形成激光熔覆层，打印至预定高度，即得到弹性层；
(4)在步骤(3)得到的弹性层上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在弹性层表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比逐渐增大，即得到第二钼铜合金层，整体形成合金成形件；
(5)将步骤(4)得到的合金成形件进行固溶时效热处理，得到芯片封装电极。
作为上述制备方法的可选实施方式：
在上述步骤(1)中，铜粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm。
在上述步骤(2)中，钼和铜的混合粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm。
在上述步骤(3)中，铜和弹性体的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm。
在上述步骤(4)中，钼和铜的混合粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm。
在上述步骤(1)～(4)中，激光束的扫描速率为1000～1200mm/s；激光束的激光功率为200W～250W；激光束的扫描间距为0.07～0.11mm。
在上述步骤(5)中，固溶时效热处理包括：将合金成形件于673K～773K下保温1～2小时，再升温至1073K～1173K，保温3～4小时，冷却。
需要说明的是，本发明提供的芯片封装电极，或者本发明提供的制备方法得到的芯片封装电极，可以应用于功率半导体器件的封装中，具体地，可以应用于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片封装中。
使用本发明提供的芯片封装电极，既具有金属的导电性能又具有一定弹性，应用于IGBT封装中，从而得到一种介于刚性压接与弹性压接之间的芯片封装结构，并且该电极整体性好，封装时可直接与芯片压接，操作简便。
芯片封装结构
本发明提供一种芯片封装结构，包括本发明提供的芯片封装电极，或者本发明提供的制备方法得到的芯片封装电极。
本发明提供的芯片封装结构，包括本发明提供的芯片封装电极，结构整体芯片散热性好，且芯片在封装和使用过程中不易遭到破坏，结构稳定性好。
如图5所示(左图为芯片封装结构的示意图，右图为芯片子模块和栅极顶针的结构示意图)，本发明提供了一种具体的芯片封装结构，包括：管壳6以及沿管壳6的轴向依次压接的集电极7、集电极钼片8、芯片9和芯片封装电极。
其中管壳6为绝缘材料制成的外壳，集电极7和芯片封装电极均与管壳6焊接。集电极7与芯片9之间通过集电极钼片8压接，芯片9与芯片封装电极的第二钼铜合金层4压接。
需要注意的是，上述芯片封装结构适用于多芯片串联封装，芯片封装电极的电极板上设置有多组由铜金属层5、第一钼铜合金层2、弹性层3、第二钼铜合金层组4成的连接子模块，芯片9与集电极钼片8设于绝缘框架10内共同构成芯片子模块，每个连接子模块中的第二钼铜合金层2与芯片子模块中的芯片9压接，多个芯片子模块通过位于连接子模块之间空隙内的PCB板11电连接。
进一步地，在连接子模块的侧部留有缺口，栅极顶针12贯穿缺口，一端与芯片9上的栅极接触，以保证其与栅极的电连通，另一端与PCB板11接触，以实现栅极与PCB板11之间的电连通。
图6(左图为芯片封装结构的示意图，右图为芯片子模块和栅极顶针的结构示意图)示出了现有技术中刚性压接的芯片封装结构的示意图。包括：管壳6以及沿管壳6的轴向依次压接的集电极7、集电极钼片8、芯片9、发射极钼片13、银片14、铜凸台15和发射极16。集电极钼片8、芯片9、发射极钼片13、银片14设于绝缘框架10内共同构成芯片子模块，多个芯片子模块通过位于铜凸台15之间空隙内的PCB板11电连接。
进一步地，在铜凸台15的侧部留有缺口，栅极顶针12贯穿缺口，一端与芯片9上的栅极接触，以保证其与栅极的电连通，另一端与PCB板11接触，以实现栅极与PCB板11之间的电连通。
可见本发明提供的芯片封装电极替代了刚性压接的芯片封装结构中的发射极16、铜凸台15、银片14和发射极钼片13，结构简单，并且具有弹性，相较于图6所示的压接结构而言，降低了对芯片的机械损伤风险，电极整体性好，封装时可直接与芯片压接，操作简便。
以下给出芯片封装电极的具体实施例。
实施例1
本实施例提供一种芯片封装电极，其制备方法如下：
(1)在铜板上铺设铜粉末，用激光束选区加热选定区域的铜粉末，使选定区域的铜粉末熔合，在铜板表面形成激光熔覆层，打印至预定高度，即得到铜金属层，厚度为10mm，铜粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm；
(2)在步骤(1)得到的铜金属层上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在铜金属层表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比由0％增至50％，即得到第一钼铜合金层，厚度为5mm，钼和铜的混合粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm；
(3)在步骤(2)得到的第一钼铜合金层上铺设铜和硅橡胶的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的铜和硅橡胶的混合粉末，使选定区域的铜和硅橡胶的混合粉末熔合，在第一钼铜合金层表面形成激光熔覆层，铜和硅橡胶的质量百分比为90％：10％，按照图4所示的蜂窝结构打印至预定高度，即得到弹性层，厚度为5mm，铜和硅橡胶的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm；
(4)在步骤(3)得到的弹性层上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在弹性层表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比由0％增至100％，即得到第二钼铜合金层，厚度为10mm，铜和弹性体的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm，整体形成合金成形件；
在上述步骤(1)～(4)中，激光束的扫描速率为1100mm/s；激光束的激光功率为250W；激光束的扫描间距为0.10mm；
(5)将步骤(4)得到的合金成形件于700K下保温1.5小时，再升温至1100K，保温3.5小时，冷却，得到待测样品。
实施例2
本实施例提供一种芯片封装电极，其制备方法如下：
(1)在铜板上铺设铜粉末，用激光束选区加热选定区域的铜粉末，使选定区域的铜粉末熔合，在铜板表面形成激光熔覆层，打印至预定高度，即得到铜金属层，厚度为5mm，铜粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm；
(2)在步骤(1)得到的铜金属层上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在铜金属层表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比由0％增至30％，即得到第一钼铜合金层，厚度为10mm，钼和铜的混合粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm；
(3)在步骤(2)得到的第一钼铜合金层上铺设铜和硅橡胶的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的铜和硅橡胶的混合粉末，使选定区域的铜和硅橡胶的混合粉末熔合，在第一钼铜合金层表面形成激光熔覆层，铜和硅橡胶的质量百分比为80％：20％，按照图4所示的蜂窝结构打印至预定高度，即得到弹性层，厚度为8mm，铜和硅橡胶的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm；
(4)在步骤(3)得到的弹性层上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在弹性层表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比由5％增至100％，即得到第二钼铜合金层，厚度为5mm，铜和弹性体的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm，整体形成合金成形件；
在上述步骤(1)～(4)中，激光束的扫描速率为1000mm/s；激光束的激光功率为200W；激光束的扫描间距为0.11mm；
(5)将步骤(4)得到的合金成形件于673K下保温1.5小时，再升温至1150K，保温3小时，冷却，得到待测样品。
实施例3
本实施例提供一种芯片封装电极，其制备方法如下：
(1)在铜板上铺设上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在铜板表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比由0％增至40％，即得到第一钼铜合金层，厚度为8mm，钼和铜的混合粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm；
(2)在步骤(1)得到的第一钼铜合金层上铺设铜和硅橡胶的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的铜和硅橡胶的混合粉末，使选定区域的铜和硅橡胶的混合粉末熔合，在第一钼铜合金层表面形成激光熔覆层，铜和硅橡胶的质量百分比为80％：20％，按照图4所示的蜂窝结构打印至预定高度，即得到弹性层，厚度为10mm，铜和硅橡胶的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm；
(3)在步骤(2)得到的弹性层上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在弹性层表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比由3％增至100％，即得到第二钼铜合金层，厚度为10mm，铜和弹性体的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm，整体形成合金成形件；
在上述步骤(1)～(3)中，激光束的扫描速率为1200mm/s；激光束的激光功率为230W；激光束的扫描间距为0.07mm；
(4)将步骤(3)得到的合金成形件于750K下保温2小时，再升温至1073K，保温4小时，冷却，得到待测样品。
实施例4
本实施例提供一种芯片封装电极，其制备方法如下：
(1)在铜板上铺设铜粉末，用激光束选区加热选定区域的铜粉末，使选定区域的铜粉末熔合，在铜板表面形成激光熔覆层，打印至预定高度，即得到铜金属层，厚度为8mm，铜粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm；
(2)在步骤(1)得到的铜金属层上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在铜金属层表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比由0％增至55％，即得到第一钼铜合金层，厚度为10mm，钼和铜的混合粉末的粒径为15～60μm，氧含量低于2000ppm；
(3)在步骤(2)得到的第一钼铜合金层上铺设铜和硅橡胶的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的铜和硅橡胶的混合粉末，使选定区域的铜和硅橡胶的混合粉末熔合，在第一钼铜合金层表面形成激光熔覆层，铜和硅橡胶的质量百分比为85％：15％，按照图4所示的蜂窝结构打印至预定高度，即得到弹性层，厚度为6mm，铜和硅橡胶的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm；
(4)在步骤(3)得到的弹性层上铺设钼和铜的混合粉末，用激光束选区加热选定区域的钼和铜的混合粉末，使选定区域的钼和铜的混合粉末熔合，在弹性层表面形成激光熔覆层，随着打印高度的增加，钼和铜的混合粉末中钼的质量百分比由0％增至100％，即得到第二钼铜合金层，厚度为10mm，铜和弹性体的混合粉末的粒径为45～100μm，氧含量低于2000ppm，整体形成合金成形件；
在上述步骤(1)～(4)中，激光束的扫描速率为1100mm/s；激光束的激光功率为200W；激光束的扫描间距为0.10mm；
(5)将步骤(4)得到的合金成形件于773K下保温1小时，再升温至1173K，保温3小时，冷却，得到待测样品。
测试例1
1.待测样品
以实施例1制备的芯片封装电极作为待测样品。
2.测试方法
对待测样品的拉伸强度进行测试，作为对比，将金属铜块作为对照品进行测试。
测试方法按照国家标准《GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验第1部分_室温试验方法》进行，测试样品和对照品的尺寸参考上述标准；测试设备采用CMT5105万能电子试验机；测试条件：拉伸速度1mm/min。
以应力(％)作为横坐标，以拉伸强度(MPa)作为纵坐标，绘制曲线，得到图7所示结果。
3.测试结果
如图7所示，待测样品相较于对照品而言，应变和拉伸强度明显增大，证明本发明提供的芯片封装电极具有优异的应变和拉伸强度。
测试例2
1.制备待测样品
参照实施例2中的方法制备6组待测样品，待测样品弹性层中硅橡胶的含量分别为0％、2％、4％、6％、8％、10％。
2.测试方法
对上述6组待测样品的弹性模量和电导率进行测试，作为对比，将金属铜块作为对照品进行测试。
弹性模量的测试按照国家标准《GB/T 22315-2008金属材料弹性模量和泊松比试验方法》进行，测试样品和对照品的尺寸参照上述标准；测试设备采用：CMT5105万能电子试验机；测试条件：拉伸速度1mm/min。
电导率的测试按照国家标准《GB/T 315-2019金属材料电导率测量方法》中的四点探针法进行，测试样品和对照品的尺寸参照上述标准；测试设备采用：日本真空公司的ZEM-2型电导仪。
以硅橡胶含量(％)为横坐标，以待测样品与对照品的弹性模量之比作为纵坐标，得到如图8所示结果；以硅橡胶含量(％)为横坐标，以待测样品与对照品的电导率之比作为纵坐标，得到如图9所示结果。
3.测试结果
如图8所示，随着形成弹性层的复合材料中硅橡胶含量的增加，待测样品的弹性模量与金属铜的弹性模量之比呈下降趋势，说明样品的弹性逐渐增大。如图9所示，随着形成弹性层的复合材料中硅橡胶含量的增加，待测样品的弹性模量与铜金属的电导率之比呈下降趋势，说明样品的导电率逐渐下降。为了使芯片封装电极具有优良的弹性和导电性能，形成弹性层的复合材料中硅橡胶的含量最优为10％。
测试例3
1.待测样品
以实施例3制备的芯片封装电极作为待测样品。
2.测试方法
对待测样品在不同压力下的电导率进行测试，作为对比，将金属铜块作为对照品进行测试。
利用加压机构对待测样品/对照品进行加压，电导率的测试按照国家标准《GB/T315-2019金属材料电导率测量方法》中的四点探针法进行，测试样品和对照品的尺寸参照上述标准；测试设备采用：日本真空公司的ZEM-2型电导仪。
测试设备连接关系如图11所示，加压机构上板17与加压机构下板18之间夹持待测样品21，且与待测样品21之间分别采用上绝缘板19和下绝缘板20进行绝缘处理。
以压力(KN)为横坐标，以待测样品与对照品的电导率之比作为纵坐标，得到如图10所示结果。
3.测试结果
如图10所示，随着压力的增加，待测样品与金属铜的电导率之比呈现先上升后稳定的趋势，说明待测样品的电导率在一定范围内随压力增加而上升，后压力超过特定值之后，导电率趋于稳定。最佳压力范围在0.5～1.0KN(满足硅芯片的压力承受范围)，芯片封装结构设计时需要考虑此压力范围。
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 (14)
1.一种芯片封装电极，其特征在于，包括：电极板以及在所述电极板上层叠设置的第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层，其中，所述第一钼铜合金层和第二钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离所述电极板的方向上均逐渐增大，所述弹性层由铜和弹性体形成的复合材料制成。
2.根据权利要求1所述的芯片封装电极，其特征在于，所述第一钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离所述电极板的方向上由0％增至30％～55％；
所述第二钼铜合金层中钼的质量百分比沿背离所述电极板的方向上由0％～5％增至100％。
3.根据权利要求1或2所述的芯片封装电极，其特征在于，以形成所述弹性层的复合材料的总质量计，弹性体的质量百分比为10～20％。
4.根据权利要求1-3任一所述的芯片封装电极，其特征在于，在所述电极板和所述第一钼铜合金层之间，还包括：铜金属层。
5.根据权利要求1-4任一所述的芯片封装电极，其特征在于，所述弹性体为硅橡胶。
6.根据权利要求1-5任一所述的芯片封装电极，其特征在于，形成所述弹性层的复合材料具有多孔结构。
7.根据权利要求6所述的芯片封装电极，其特征在于，形成所述弹性层的复合材料具有蜂窝结构，所述蜂窝结构空腔的横截面为菱形。
8.根据权利要求1-7任一所述的芯片封装电极，其特征在于，第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层的厚度均为5～10mm。
9.一种权利要求1-8任一所述的芯片封装电极的制备方法，其特征在于，包括：
在所述电极板上依次形成所述第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层。
10.根据权利要求9所述的芯片封装电极的制备方法，其特征在于，包括：
采用3D打印工艺在所述电极板上依次形成所述第一钼铜合金层、弹性层和第二钼铜合金层，得到合金成形件；
将所述合金成形件进行热处理，得到所述芯片封装电极。
11.根据权利要求10所述的芯片封装电极的制备方法，其特征在于，
形成所述第一钼铜合金层和第二钼铜合金层的方法包括：
采用激光束加热钼和铜的混合粉末，使所述钼和铜的混合粉末熔合形成激光熔覆层；
形成所述弹性层的方法包括：
采用激光束加热铜和弹性体的混合粉末，使所述铜和弹性体的混合粉末熔合形成激光熔覆层；
所述激光束的扫描速率为1000～1200mm/s；所述激光束的激光功率为200W～250W；所述激光束的扫描间距为0.07～0.11mm；
所述热处理包括：将所述合金成形件于673K～773K下保温1～2小时，再升温至1073K～1173K，保温3～4小时，冷却。
12.权利要求1～8任一所述的芯片封装电极，或者权利要求9～11任一所述的制备方法得到的芯片封装电极在绝缘栅双极型晶体管芯片封装中的应用。
13.一种芯片封装结构，其特征在于，包括权利要求1～8任一所述的芯片封装电极，或者权利要求9～11任一所述的制备方法得到的芯片封装电极。
14.根据权利要求13所述的芯片封装结构，其特征在于，包括：管壳以及沿所述管壳的轴向依次压接的集电极、钼片、芯片和所述芯片封装电极。
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