CN111540718B - 一种碳化硅器件的封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅器件的封装结构，包括：驱动基板；碳化硅芯片，其烧结连接于驱动基板的正面，碳化硅芯片的栅极烧结引出有栅极弹性金属探针，源极烧结引出有源极金属柱；DBC基板组件，具有与栅极弹性金属探针位置对应的第一覆铜层和与源极金属柱位置对应的第二覆铜层；弹性组件，位于DBC基板组件背向驱动基板的一侧，在封装过程中，其弹性力驱使DBC基板组件靠近驱动基板以使第一覆铜层与栅极弹性金属探针、及第二覆铜层与源极金属柱压接相连。这种碳化硅器件的弹性压接封装结构，通过烧结引出的栅极弹性金属探针和DBC基板组件的第一覆铜层实现低电感互联，降低了封装寄生电感，提高了碳化硅器件封装结构的可靠性。

Description

一种碳化硅器件的封装结构
技术领域
本发明涉及半导体封装技术领域，具体涉及一种碳化硅器件的封装结构。
背景技术
作为一种宽禁带半导体材料，碳化硅半导体不但击穿电场强度高、热稳定性好，还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，可以用来制造各种耐高温的高频、高效大功率器件，应用于传统硅器件难以胜任的场合。理论上碳化硅芯片的开关频率可以达到上兆赫兹，但是现有商用器件的封装结构大大限制了碳化硅芯片的高频应用，主要是由于在封装过程中基板、芯片、引脚互联引起的杂散电感比较大，例如TO247封装的每个引脚的电感大于4nH，而一般的器件封装模块也是通过功率接线端子引出电极，这些引线会增大回路的寄生电感；这些寄生电感导致器件在关断过程中承受较大的尖峰电压，严重时可能会损坏器件，因此必须设法降低碳化硅功率器件的寄生电感。
对于如何降低碳化硅器件的封装结构中的寄生电感这一问题，现有封装结构方法有键合线结构、平板结构、混合封装结构。其中，键合线结构简单、可靠性高，但是单面的封装尺寸大，寄生电感大；平板结构寄生参数小、散热性好，但是工艺复杂、可靠性差；混合封装结构是键合线结构与直接覆铜陶瓷基板技术的结合，兼具两者的优点，但是现有混合封装结构仍存在寄生参数较大、焊接面积小造成可靠性降低及需要外接端子与外部电路连接的问题，因此有必要设计一种新的碳化硅芯片的封装结构。
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碳化硅芯片的封装结构存在寄生电感大的缺陷，从而提供一种碳化硅器件的封装结构。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种碳化硅器件的封装结构，包括：
驱动基板；
碳化硅芯片，其烧结连接于所述驱动基板的正面，所述碳化硅芯片的栅极烧结引出有栅极弹性金属探针，所述碳化硅芯片的源极引出有源极金属柱；
DBC基板组件，位于所述驱动基板的正面上方，具有与所述栅极弹性金属探针位置对应的第一覆铜层和与所述源极金属柱位置对应的第二覆铜层；
弹性组件，位于所述DBC基板组件背向所述驱动基板的一侧；在封装过程中，所述弹性组件的弹性力驱使所述DBC基板组件靠近所述驱动基板以使所述第一覆铜层与所述栅极弹性金属探针、及所述第二覆铜层与所述源极金属柱压接相连。
进一步地，所述DBC基板组件包括上层DBC基板和下层DBC基板，所述下层DBC基板位于所述上层DBC基板和所述驱动基板之间；所述第二覆铜层位于所述下层DBC基板朝向驱动基板的一侧面上，所述第一覆铜层位于所述上层DBC基板朝向所述下层DBC基板的一侧面上，所述下层DBC基板上设有与所述栅极弹性金属探针位置对应设置的通孔；在压接过程中，所述栅极弹性金属探针穿过所述通孔与所述第一覆铜层压接相连。
进一步地，所述下层DBC基板朝向所述上层DBC基板的一面设有第三覆铜层，所述第三覆铜层与所述第一覆铜层形成电气连接通道。
进一步地，所述下层DBC基板的正面上向外凸出设置有导向柱，所述上层DBC基板上设有与所述导向柱位置对应且尺寸相配的导向孔。
进一步地，所述上层DBC基板背向所述下层DBC基板的侧面上连接有引出端子。
进一步地，所述弹性组件包括顶板，及一体连接于所述顶板且位于所述顶板相对两侧的铜金属构件；所述铜金属构件的内部具有多孔结构。
进一步地，所述栅极弹性金属探针为具有弹性结构的铜金属片或具有多孔结构的铜柱。
进一步地，所述碳化硅芯片在所述驱动基板上布设有多个，多个所述碳化硅芯片的栅极弹性金属探针在所述碳化硅芯片上的引出高度相同。
进一步地，所述驱动基板的内部可供冷却液流动的螺旋沟道。
进一步地，还包括绝缘框架，所述绝缘框架具有可收容所述驱动基板、所述DBC基板组件和所述弹性组件的贯通腔；所述驱动基板与所述绝缘框架固定连接。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的碳化硅器件的封装结构，碳化硅芯片背面通过烧结连接在驱动基板的正面上，碳化硅芯片正面上的栅极烧结引出有栅极弹性金属探针，源极烧结引出有源极金属柱；由于采用了烧结连接的方式，与现有技术中的焊接封装结构相比，能够降低整个碳化硅器件封装结构的寄生电感；且烧结连接形成的烧结层具有熔点高、导热率高的特点，对热机械疲劳的抵抗力较强，提高了碳化硅器件在苛刻应用环境下的长期可靠性，减少了传统压接模块中由于温度分布不均导致压力无法均匀分布而导致组件连接可靠性变差的问题；另外，在弹性压接封装的过程中，弹性组件驱动DBC基板组件和驱动基板相互靠近，碳化硅芯片上引出的栅极弹性金属探针可以与DBC基板组件上的第一覆铜层接连，源极金属柱可以与DBC基板组件上的第二覆铜层接连，相对于现有技术中在DBC基板和碳化硅芯片之间采用引线键合连接的方式，避免了寄生电感的产生，进一步增加了碳化硅器件封装结构的可靠性。
2.本发明提供的碳化硅器件的封装结构，由上层DBC基板和下层DBC基板组成的双层结构的DBC基板组件，与栅极弹性金属探针相连的第一覆铜层和与源极金属柱相连的第二覆铜层分别位于不同的DBC基板上，可以降低封装过程中寄生电感的产生。
3.本发明提供的碳化硅器件的封装结构，采用3D打印技术一体制造成型的弹性组件，使封装过程中DBC基板组件各处受到的弹性压力更加均匀，提高DBC基板组件和碳化硅芯片封装结构的可靠性；而且相对于现有技术中采用碟簧组件提高弹性压力的方式，不仅可以降低成本，而且避免了因碟簧出现弹簧疲劳、应力松弛、磨损等造成DBC基板组件上的覆铜层和碳化硅芯片的栅极或源极的接触不良而增加接触电阻的问题。
4.本发明提供的碳化硅器件的封装结构，驱动基板上设置多个碳化硅芯片，且多个碳化硅芯片上的栅极弹性金属探针的高度相同，可以实现多个碳化硅芯片开通关断的一致性。
5.本发明提供的碳化硅器件的封装结构，在驱动基板内设置螺旋沟道，可以确保碳化硅芯片的双面均有散热条件。
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碳化硅器件封装结构的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的碳化硅器件封装结构的爆炸图；
图3为本发明实施例中碳化硅芯片在驱动基板上的结构示意图；
图4为本发明实施例中DBC基板组件的上层DBC基板倒置在下层DBC基板上的结构示意图；
图5为本发明实施例中碳化硅器件完成弹性压接封装后上层DBC基板和下层DBC基板上的结构示意图；
图6为本发明实施例中弹性组件的结构示意图；
图7为本发明实施例中绝缘框架的结构示意图。
附图标记说明：1、驱动基板；2、碳化硅芯片；21、栅极弹性金属探针；22、源极金属柱；3、DBC基板组件；31、上层DBC基板；311、第一覆铜层；312、引出端子；32、下层DBC基板；321、第二覆铜层；322、通孔；323、第三覆铜层；324、导向柱；4、弹性组件；41、顶板；42、铜金属构件；5、绝缘框架。
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“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”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“安装”、“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。
如图1－7所示的一种碳化硅器件的封装结构，包括驱动基板1、碳化硅芯片2、DBC基板组件3、弹性组件4和绝缘框架5。其中，绝缘框架5的中间具有贯通腔，驱动基板1、DBC基板组件3和弹性组件4均可收容在贯通腔内，驱动基板1固定连接在绝缘框架5的底部并封闭贯通腔的一端开口，碳化硅芯片2有多个且按照设计布局烧结连接在驱动基板1的正面上，DBC基板组件3位于驱动基板1和弹性组件4之间，弹性组件4与贯通腔另一端开口的外形相配且部分向外伸出。碳化硅芯片2的栅极烧结引出有栅极弹性金属探针21，碳化硅芯片2的源极烧结引出有源极金属柱22。DBC基板组件3具有与栅极弹性金属探针21位置对应的第一覆铜层311和与源极金属柱22位置对应的第二覆铜层321。在弹性压接封装过程中，弹性组件4受到压力后产生的弹性力驱使DBC基板组件3靠近驱动基板1以使第一覆铜层311与栅极弹性金属探针21、及第二覆铜层321与源极金属柱22压接相连。
这种碳化硅器件的封装结构，碳化硅芯片2的背面通过烧结连接在驱动基板1的正面上，碳化硅芯片2正面上的栅极烧结引出有栅极弹性金属探针21，而源极烧结引出有源极金属柱22；由于采用了烧结连接的方式，与现有技术中的焊接封装结构相比，能够降低整个碳化硅器件封装结构的寄生电感；且烧结连接形成的烧结层具有熔点高、导热率高的特点，对热机械疲劳的抵抗力较强，提高了碳化硅器件在苛刻应用环境下的长期可靠性，减少了传统压接模块中由于温度分布不均导致压力无法均匀分布而导致组件连接可靠性变差的问题；另外，在弹性压接封装的过程中，弹性组件4驱动DBC基板组件3和驱动基板1相互靠近，碳化硅芯片2上引出的栅极弹性金属探针21可以与DBC基板组件3上的第一覆铜层311接连，源极金属柱22可以与DBC基板组件3上的第二覆铜层321接连，相对于现有技术中在DBC基板和碳化硅芯片2之间采用引线键合连接的方式，避免了寄生电感的产生，进一步增加了碳化硅器件封装结构的可靠性。
在本实施例中，DBC基板组件3为双层结构，包括上层DBC基板31和下层DBC基板32，下层DBC基板32位于上层DBC基板31和驱动基板1之间。第二覆铜层321位于下层DBC基板32朝向驱动基板1的一侧面上，第一覆铜层311位于上层DBC基板31朝向下层DBC基板32的一侧面上，下层DBC基板32上设有与栅极弹性金属探针21位置对应设置的通孔322，上层DBC基板31背向下层DBC基板32的侧面上连接有引出端子312。在弹性压接过程中，栅极弹性金属探针21穿过通孔322与第一覆铜层311压接相连。由上层DBC基板31和下层DBC基板32组成的双层结构的DBC基板组件3，与栅极弹性金属探针21相连的第一覆铜层311和与源极金属柱22相连的第二覆铜层321分别位于不同的DBC基板上，可以降低封装过程中寄生电感的产生。在其它实施方式中，DBC基板组件3的层数可以根据碳化硅芯片2是数量和位置进行调整，只要确保相邻两颗碳化硅芯片2的栅极间距相同即可。多层DBC基板覆铜层的特定位置预制由焊料，预置焊料可为通用焊料SAC305。
具体的，下层DBC基板32朝向上层DBC基板31的一面设有第三覆铜层323，第三覆铜层323与第一覆铜层311形成电气连接通道。
在本实施例中，下层DBC基板32的正面上向外凸出设置有导向柱324，上层DBC基板31上设有与导向柱324位置对应且尺寸相配的导向孔。多个碳化硅芯片2的栅极弹性金属探针21在碳化硅芯片2上的引出高度相同，且高于源极金属柱22的引出高度。导向柱324和导向孔的设置对上层DBC基板31的运动起到导向作用，可以实现上层DBC基板31上的第一覆铜层311与多个碳化硅芯片2上的栅极弹性金属探针21同时关断，降低多个碳化硅芯片2之间的电气应力。
在本实施例中，碳化硅芯片2的正面和背面均采用真空离子溅射技术进行镀膜处理，镀膜成分为金属银或铜，以便于提高烧结质量。栅极弹性金属探针21的烧结过程需注意烧结材料预置面积与形状，从而防止碳化硅芯片2的栅极被污染。栅极弹性金属探针21为具有弹性结构的铜金属片或具有多孔结构的铜柱。
在本实施例中，驱动基板1的内部可供液态金属流动的螺旋沟道，可以确保碳化硅芯片2的双面均有散热条件。其中，液态金属为200℃左右液化金属，通过金属液化冷却器件，适用于器件不连续工作工况，属于瞬间冷却介质。
在本实施例中，弹性组件4为采用3D打印技术制备的具有弹性结构的铜金属构件42，包括顶板41和与顶板41一体成型且位于顶板41相对两侧的铜金属构件42；铜金属构件42的内部具有多孔结构。采用3D打印技术一体制造成型的弹性组件4，使封装过程中DBC基板组件3各处受到的弹性压力更加均匀，提高DBC基板组件3和碳化硅芯片2封装结构的可靠性；而且相对于现有技术中采用碟簧组件提高弹性压力的方式，不仅可以降低成本，而且避免了因碟簧出现弹簧疲劳、应力松弛、磨损等造成DBC基板组件3上的覆铜层和碳化硅芯片2的栅极或源极的接触不良而增加接触电阻的问题。
综上所述，本发明提供的碳化硅器件的封装结构，主要具有以下优点：
1、碳化硅芯片2上烧结引出的栅极弹性金属探针21，采用多层DBC基板直接引出，使多个碳化硅芯片2的栅极路径完全对称，提高碳化硅器件开通关断的一致性；
2、采用多层DBC基板直接引出的封装结构可以降低封装电感；
3、采用3D打印技术一体制造成型的弹性组件4，使封装过程中DBC基板组件3各处受到的弹性压力更加均匀，提高DBC基板组件3和碳化硅芯片2封装结构的可靠性；而且相对于现有技术中采用碟簧组件提高弹性压力的方式，不仅可以降低成本，而且避免了因碟簧出现弹簧疲劳、应力松弛、磨损等造成DBC基板组件3上的覆铜层和碳化硅芯片2的栅极或源极的接触不良而增加接触电阻的问题；
4、在驱动基板1的内部设置可供液态金属流动的螺旋沟道，可以确保碳化硅芯片2的双面均有散热条件，降低器件发热，增加器件冷却速率。
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 (10)

1.一种碳化硅器件的封装结构，其特征在于，包括：
驱动基板(1)；
碳化硅芯片(2)，其烧结连接于所述驱动基板(1)的正面，所述碳化硅芯片(2)的栅极烧结引出有栅极弹性金属探针(21)，所述碳化硅芯片(2)的源极引出有源极金属柱(22)；
DBC基板组件(3)，位于所述驱动基板(1)的正面上方，包括上层DBC基板(31)和下层DBC基板(32)，所述下层DBC基板(32)位于所述上层DBC基板(31)和所述驱动基板(1)之间；所述上层DBC基板(31)朝向所述下层DBC基板(32)的一侧面上具有与所述栅极弹性金属探针(21)位置对应的第一覆铜层(311)，所述下层DBC基板(32)朝向驱动基板(1)的一侧面上具有与所述源极金属柱(22)位置对应的第二覆铜层(321)；
弹性组件(4)，位于所述DBC基板组件(3)背向所述驱动基板(1)的一侧；在封装过程中，所述弹性组件(4)的弹性力驱使所述DBC基板组件(3)靠近所述驱动基板(1)以使所述第一覆铜层(311)与所述栅极弹性金属探针(21)、及所述第二覆铜层(321)与所述源极金属柱(22)压接相连。
2.根据权利要求1所述的碳化硅器件的封装结构，其特征在于，所述下层DBC基板(32)上设有与所述栅极弹性金属探针(21)位置对应设置的通孔(322)；在压接过程中，所述栅极弹性金属探针(21)穿过所述通孔(322)与所述第一覆铜层(311)压接相连。
3.根据权利要求2所述的碳化硅器件的封装结构，其特征在于，所述下层DBC基板(32)朝向所述上层DBC基板(31)的一面设有第三覆铜层(323)，所述第三覆铜层(323)与所述第一覆铜层(311)形成电气连接通道。
4.根据权利要求3所述的碳化硅器件的封装结构，其特征在于，所述下层DBC基板(32)的正面上向外凸出设置有导向柱(324)，所述上层DBC基板(31)上设有与所述导向柱(324)位置对应且尺寸相配的导向孔。
5.根据权利要求2所述的碳化硅器件的封装结构，其特征在于，所述上层DBC基板(31)背向所述下层DBC基板(32)的侧面上连接有引出端子(312)。
6.根据权利要求1－5中任意一项所述的碳化硅器件的封装结构，其特征在于，所述弹性组件(4)包括顶板(41)，及一体连接于所述顶板(41)且位于所述顶板(41)相对两侧的铜金属构件(42)；所述铜金属构件(42)的内部具有多孔结构。
7.根据权利要求1－5中任意一项所述的碳化硅器件的封装结构，其特征在于，所述栅极弹性金属探针(21)为具有弹性结构的铜金属片或具有多孔结构的铜柱。
8.根据权利要求1－5中任意一项所述的碳化硅器件的封装结构，其特征在于，所述碳化硅芯片(2)在所述驱动基板(1)上布设有多个，多个所述碳化硅芯片(2)的栅极弹性金属探针(21)在所述碳化硅芯片(2)上的引出高度相同。
9.根据权利要求1－5中任意一项所述的碳化硅器件的封装结构，其特征在于，所述驱动基板(1)的内部可供冷却液流动的螺旋沟道。
10.根据权利要求1－5中任意一项所述的碳化硅器件的封装结构，其特征在于，还包括绝缘框架(5)，所述绝缘框架(5)具有可收容所述驱动基板(1)、所述DBC基板组件(3)和所述弹性组件(4)的贯通腔；所述驱动基板(1)与所述绝缘框架(5)固定连接。
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