CN112038263A - 一种用于功率器件封装的夹具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功率半导体器件制造技术领域，具体提供一种用于功率器件封装的夹具，包括：第一装夹台、与所述第一装夹台相对设置的第二装夹台、用于密封所述第一装夹台和所述第二装夹台的腔体；所述第一装夹台和所述第二装夹台可彼此相对地往复移动；所述腔体包括包围所述第一装夹台并且固定设置的第一半腔结构，以及包围所述第二装夹台设置并且随所述第二装夹台往复移动的第二半腔结构；还包括用于盛放功率器件的物料托盘，所述物料托盘可拆卸地安装在所述第二装夹台上。根据本发明的用于功率器件封装的夹具，结构简单，能够节省复杂的运动机构，同时保证功率器件的位置稳定，保证成品率，提升烧结效率。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种用于功率器件封装的夹具。
背景技术
在功率半导体封装领域，寻求低温工艺、高温服役、热膨胀系数相匹配、高导热导电、低成本的互连材料成为现在急需解决的问题。焊接及引线键合的传统材料工艺存在熔点低、高温蠕变失效、引线缠绕、寄生参数等无法解决的问题，新型互连材料正从焊接向烧结技术发展。
现有技术常用烧结互连材料为纳米银材料，但是纳米银烧结技术存在不足：1)银材料本身价格较高，限制其不能被广泛使用；2)银和SiC芯片背面材料热膨胀系数的不同，需要添加其它中间金属层提高互连性能，从而增加了工艺复杂性成本；3)银层存在电迁移现象，不利于功率器件长期可靠应用。
为解决上述问题，发明人发现与纳米银近似的纳米铜颗粒，纳米铜颗粒可以在低温条件下熔融，烧结后熔点接近铜单质材料(1083℃)，可构筑稳定的金属互连层。然而现有烧结夹具多数是基于较为成熟的纳米银材料开发的，其夹具并未深入考虑材料在工艺中的抗氧化要求。而纳米铜材料在烧结键合过程中，容易出现氧化问题。不仅如此，纳米铜材料功率器件因为体积和重量较小，在烧结键合过程中，通入惰性气体时容易被吹动而导致姿态和位置窜动。此外，现有的针对功率器件进行烧结键合的夹具普遍结构复杂，腔体内结构复杂且体积大。由此可知，针对功率器件，尤其是纳米铜材料功率器件的烧结工艺特点，开发相应烧结夹具成为关键。
发明内容
本发明的目的在于解决上述背景技术中的至少一个问题，提供一种用于功率器件封装的夹具。
为实现上述目的，本发明提供一种用于功率器件封装的夹具，包括：第一装夹台、与所述第一装夹台相对设置的第二装夹台、用于密封所述第一装夹台和所述第二装夹台的腔体；
所述第一装夹台和所述第二装夹台可彼此相对地往复移动；
所述腔体包括包围所述第一装夹台并且固定设置的第一半腔结构，以及包围所述第二装夹台并且随所述第二装夹台往复移动的第二半腔结构；
还包括用于盛放功率器件的物料托盘，所述物料托盘可拆卸地安装在所述第二装夹台上。
根据本发明的一个方面，所述物料托盘与所述第二装夹台的表面之间具有间隙，所述间隙小于待烧结器件的最小厚度。
根据本发明的一个方面，所述第二装夹台的侧壁上设有沿中线对称的两个凹槽，所述物料托盘上设有与所述两个凹槽对应的两个凸起，所述物料托盘通过所述两个凸起和所述两个凹槽的配合可移动地插接在所述第二装夹台上。
根据本发明的一个方面，所述凹槽的深度等于或者大于所述凸起的高度。
根据本发明的一个方面，所述第二半腔结构上设有用于通入和排出气体的通气孔；
所述第二装夹台上临近所述物料托盘上待烧结器件处设有用于通入惰性气体的通气孔。
根据本发明的一个方面，还包括用于支承并驱动所述第一装夹台往复移动的第一驱动机构、用于驱动所述第二装夹台往复移动的第二驱动机构以及用于支承所述第一驱动机构、所述第二驱动机构和所述第一半腔结构的支承台。
根据本发明的一个方面，所述第一驱动机构包括用于驱动所述第一装夹台的第一驱动装置和用于支承所述驱动装置的支架。
根据本发明的一个方面，所述第二驱动机构包括第二驱动装置和与所述第二驱动装置的输出端连接并可往复移动的转接板；
所述第二装夹台和所述第二半腔结构安装在所述转接板上。
根据本发明的一个方面，还包括分别位于所述第一半腔结构和第二半腔结构中为所述第一装夹台和第二装夹台加热的加热装置。
根据本发明的一个方案，在第一装夹台的下方设置驱动装置向上顶其运动时，当工作结束时，复位过程中，第一装夹台可以靠其自身重力落回原位，不需要增设其他运动机构将第一装夹台拉回原位。
根据本发明的一个方案，第二装夹台和第二半腔结构安装在转接板上。如此设置，可以使得第二驱动装置驱动设置在转接板上的第二装夹台和第二半腔结构同时向下运动，使得第二装夹台和第二半腔结构能够同时运动到工作位置，即第二半腔结构与第一半腔结构连接形成腔体的位置。这样，此后再由第一驱动装置单独驱动第一装夹台向上运动对器件进行挤压烧结即可。如此设置，可使得工作方便快捷，工作效率极高，也使得能够快速形成腔体，快速减少器件接触空气的时间和机会，使得成品率提高。
根据本发明的一个方案，在将待烧结器件安装在物料托盘上后，通过与第二装夹台下表面之间的位置关系(即间隙连接)，可以使得器件在物料托盘和第二装夹台之间的位置不会发生窜动，保证位置稳定，这样在向腔体内冲入氮气的过程中，器件不会被冲入的氮气气流吹动，保证位置精确，提高烧结成品率。
在第二装夹台上设置通入惰性气体的通气孔，能够使得通入腔体的惰性气体能够近距离吹向待烧结功率器件，这样可以使得在高温高压烧结过程中，纳米铜材料的功率器件能够远离空气，使得不被氧化，保证原有材料的性能，保证成品质量。
根据本发明的用于功率器件封装的夹具，结构简单合理，能够有效提高功率器件的烧结键合效率，保证成品率。并且腔体内结构简单，尺寸和体积可控。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的用于功率器件封装的夹具的结构图；
图2示意性表示图1的用于功率器件封装的夹具的另一角度结构图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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它实施例，都属于本发明保护范围。
图1和图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的用于功率器件封装的夹具的结构图。如图1所示，根据本实施方式的用于功率器件封装的夹具，包括：第一装夹台1、第二装夹台2和腔体3。如图1所示，在本实施方式中，第一装夹台1和第二装夹台2相对地设置，即第一装夹台1在图1和2中的下方，而第二装夹台2在第一装夹台1的正上方，并且第一装夹台1和第二装夹台2可以彼此相对地往复移动，即彼此可靠近和远离对方。在本实施方式中，腔体3将第一装夹台1和第二装夹台2包围在其中，用于将第一装夹台1和第二装夹台2与外界空气隔离形成真空环境。当然，也可以在密封过程中向其中冲入惰性气体(如氮气)以将腔内空气排出。由此可知，具体地，烧结腔体3可抽取真空，也可以通入氮气、氩气或者氢氩混合气体等保护气氛。
如图2所示，腔体3包括第一半腔结构301和第二半腔结构302。在本实施方式中，第一半腔结构301包围第一装夹台1，并且该第一半腔结构301固定设置，即其不随第一装夹台1的运动而运动。第二半腔结构302包围第二装夹台2，并且其随着第二装夹台2的运动而运动，即与第二装夹台2同时往复移动。
由上可知，在本实施方式中，因为第一半腔结构301固定不动，所以在形成腔体3的过程中，主要靠第二半腔结构302的运动与第一半腔结构搭接后形成，而在形成密封的腔体3后，实际上第一装夹台1和第二装夹台2还未挤压接触，这时可以通过调整第一装夹台1的上下位置来实现第一装夹台1和第二装夹台的挤压接触。
进一步地，如图1所示，在本实施方式中，用于功率器件封装的夹具还包括用于支承并驱动第一装夹台1上下往复移动的第一驱动机构4、用于驱动第二装夹台2往复移动的第二驱动机构5以及用于支承第一驱动结构4、第二驱动机构5和第一半腔结构301的支承台6。
如图1所示，在本实施方式中，第一驱动机构4包括用于驱动第一装夹台1的第一驱动装置401和用于支承驱动装置的支架402。如图1所示，支架402安装固定在支承台6的下表面上，第一驱动装置401在第一装夹台1的下方驱动第一装夹台1做上下往复移动。在本发明中，第一驱动装置401可以采用手动驱动，也可以采用自动驱动，例如使用手动千斤顶，或者使用直线电机、伺服电机、气缸、液压缸等驱动装置。在本实施方式中，在第一装夹台1的下方设置驱动装置向上顶其运动时，当工作结束时，复位过程中，第一装夹台1可以靠其自身重力落回原位。而如果采用的向下施压的方式，当工作结束时，复位时需要增设其他的机构将承靠座拉回，这样使得结构更加复杂，而且不能够比本发明形成更具效率的腔体3。
不仅如此，如图1所示，在本实施方式中，第二驱动机构5包括第二驱动装置501和与第二驱动装置501的输出端连接并可往复移动的转接板502，第二装夹台2和第二半腔结构302安装在转接板502上。如此设置，可以使得第二驱动装置501驱动设置在转接板502上的第二装夹台2和第二半腔结构302同时向下运动，使得第二装夹台2和第二半腔结构302能够同时运动到工作位置，即第二半腔结构302与第一半腔结构301连接形成腔体3的位置。这样，此后再由第一驱动装置401单独驱动第一装夹台1向上运动对器件进行挤压烧结即可。如此设置，可使得工作方便快捷，工作效率极高，也使得能够快速形成腔体3，快速减少器件接触空气的时间和机会，使得成品率提高。在本发明中，第二驱动装置501为直线电机或者气缸等。
进一步地，因为需要对纳米铜材料功率器件进行高温加热，所以在本实施方式中，在第一半腔结构301和第二半腔结构302中均设有为第一装夹台1和第二装夹台2加热的加热装置。在本发明中，加热装置可以为任何能够为第一装夹台1和第二装夹台2高温加热的装置或者部件。
基于上述设置，根据本发明的一种实施方式，用于功率器件封装的夹具还包括物料托盘，该物料托盘可拆卸地安装在第二装夹台2上。在本实施方式中，物料托盘与第二装夹台2的下表面之间具有间隙，具有间隙时，该间隙应小于待烧结器件的最小厚度。同时，在本实施方式中，在第二半腔结构302上设有用于通入和排出气体的通气孔3021，并且第二装夹台2上临近物料托盘上待烧结器件处设有用于通入惰性气体的通气孔。
在本实施方式中，第二装夹台2上可以设置相应的凹槽，具体设置两个凹槽，两个凹槽设置在第二装夹台2的侧壁中，贯穿第二装夹台2的侧壁壁厚，即设置在第二装夹台2的上下两面之间，而且两个凹槽沿着第二装夹台2的中心线对称设置。在本实施方式中，该凹槽可以为V形槽、燕尾槽或者T形槽，然后在物料托盘上设置相应的两个形状的凸起配合，然后将物料托盘插入到第二装夹台2的下方完成安装。不仅如此，当形成上述间隙时，凹槽的深度应该大于凸起的高度，而且凸起与物料托盘之间还应具有一段尺寸比凸起靠近物料托盘的最小宽度的一端还小的过渡段，这样可以保证物料托盘在受到挤压时可以带着器件通过过渡段继续向上运动，而不至于被挤坏。
根据本发明的上述实施方式，在将待烧结器件安装在物料托盘上后，通过与第二装夹台2下表面之间的位置关系，可以使得器件的位置不会发生窜动，保证位置稳定，这样在向腔体内冲入氮气的过程中，器件不会被冲入的氮气气流吹动，保证位置精确，提高烧结成品率。
不仅如此，在第二装夹台2上设置通入惰性气体的通气孔，能够使得通入腔体的惰性气体能够近距离吹向待烧结功率器件，这样可以使得在高温高压烧结过程中，纳米铜材料的功率器件能够远离空气，使得不被氧化，保证原有材料的性能，保证成品质量。
根据本发明的上述设置，本发明的用于功率器件封装的夹具结构简单合理，能够有效提高功率器件的烧结键合效率，保证成品率。而且，由上可知，根据本发明的用于功率器件封装的夹具的腔体内结构简单，体积和尺寸可控。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.用于功率器件封装的夹具，包括：第一装夹台(1)、与所述第一装夹台(1)相对设置的第二装夹台(2)、用于密封所述第一装夹台(1)和所述第二装夹台(2)的腔体(3)；
所述第一装夹台(1)和所述第二装夹台(2)可彼此相对地往复移动；
所述腔体(3)包括包围所述第一装夹台(1)并且固定设置的第一半腔结构(301)，以及包围所述第二装夹台(2)并且随所述第二装夹台(2)往复移动的第二半腔结构(302)；
其特征在于，还包括用于盛放功率器件的物料托盘，所述物料托盘可拆卸地安装在所述第二装夹台(2)上。
2.根据权利要求1所述的用于功率器件封装的夹具，其特征在于，所述物料托盘与所述第二装夹台(2)的表面之间具有间隙，所述间隙小于待烧结器件的最小厚度。
3.根据权利要求2所述的用于功率器件封装的夹具，其特征在于，所述第二装夹台的侧壁上设有沿中线对称的两个凹槽，所述物料托盘上设有与所述两个凹槽对应的两个凸起，所述物料托盘通过所述两个凸起和所述两个凹槽的配合可移动地插接在所述第二装夹台上。
4.根据权利要求3所述的用于功率器件封装的夹具，其特征在于，所述凹槽的深度等于或者大于所述凸起的高度。
5.根据权利要求4所述的用于功率器件封装的夹具，其特征在于，所述第二半腔结构(302)上设有用于通入和排出气体的通气孔(3021)；
所述第二装夹台(2)上临近所述物料托盘上待烧结器件处设有用于通入惰性气体的通气孔。
6.根据权利要求1所述的用于功率器件封装的夹具，其特征在于，还包括用于支承并驱动所述第一装夹台(1)往复移动的第一驱动机构(4)、用于驱动所述第二装夹台(2)往复移动的第二驱动机构(5)以及用于支承所述第一驱动机构(4)、所述第二驱动机构(5)和所述第一半腔结构(301)的支承台(6)。
7.根据权利要求6所述的用于功率器件封装的夹具，其特征在于，所述第一驱动机构(4)包括用于驱动所述第一装夹台(1)的第一驱动装置(401)和用于支承所述驱动装置(401)的支架(402)。
8.根据权利要求6所述的用于功率器件封装的夹具，其特征在于，所述第二驱动机构(5)包括第二驱动装置(501)和与所述第二驱动装置(501)的输出端连接并可往复移动的转接板(502)；
所述第二装夹台(2)和所述第二半腔结构(302)安装在所述转接板(502)上。
9.根据权利要求1所述的用于功率器件封装的夹具，其特征在于，还包括分别位于所述第一半腔结构(301)和第二半腔结构(302)中为所述第一装夹台(1)和第二装夹台(2)加热的加热装置。
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