CN113539995A - 一种高导热率碳化硅器件封装结构及方法 - Google Patents
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Abstract
一种高导热率碳化硅器件封装结构及方法，解决了现有的碳化硅器件封装结构，随着碳化硅器件功率的增大，热量产生量增加，不利于碳化硅器件结构的稳定以及正常使用的问题，其包括热沉、粘结层、金属层、绝缘基板、电路层和微型热电偶臂，所述热沉的表面通过粘结层连接有金属层，金属层的表面通过粘结层连接有绝缘基板，绝缘基板的表面通过粘结层连接有电路层，热沉的底端通过螺栓安装有微型热电偶臂。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅器件封装领域，具体为一种高导热率碳化硅器件封装结构及方法。
背景技术
碳化硅功率半导体器件通常包括硅芯片，半导体电路、电路基板及热沉。碳化硅半导体器件可以在250℃～300℃的温度下稳定地操作，可以显着增加功率器件的输出。电路基板具有绝缘性，由导热率较高的氮化铝等组成。热沉具有较高导热率并确保更容易大面积制造的散热器件，例如Cu，Al，Cu-Mo或Cu-W。使用粘接剂和焊料等将各部件粘接。金属层位于芯片和热沉之间，承担着散热过渡和应力过渡的双重作用，铜的线性热膨胀系数与半导体衬底的热膨胀系数相差较大，封装时热应力施加于衬底。
现有的碳化硅器件封装结构，随着碳化硅器件功率的增大，热量产生量增加，不利于碳化硅器件结构的稳定以及正常使用。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种高导热率碳化硅器件封装结构及方法，有效的解决了现有的碳化硅器件封装结构，随着碳化硅器件功率的增大，热量产生量增加，不利于碳化硅器件结构的稳定以及正常使用的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明包括热沉、粘结层、金属层、绝缘基板、电路层和微型热电偶臂，所述热沉的表面通过粘结层连接有金属层，金属层的表面通过粘结层连接有绝缘基板，绝缘基板的表面通过粘结层连接有电路层，热沉的底端通过螺栓安装有微型热电偶臂。
根据上述技术方案：所述绝缘基板为氮化铝陶瓷材料、氧化铝陶瓷材料或者碳化硅陶瓷材料中一种或几种。
根据上述技术方案：所述粘结层采用活性金属钎焊材料。
一种高导热率碳化硅器件封装方法，包括如下步骤：
S1、选料，选取厚度在0.15mm～3.5mm的范围内的电路层；
S2、焊接，采用活性金属钎焊法将所述电路层粘接于一绝缘基板的上表面；
S3、选取金属，选取金属层，金属层的厚度在0.15mm～4.5mm的范围内；
S4、再次焊接，采用活性金属钎焊法将所述金属层的上表面粘接于所述绝缘基板的下表面，以及将所述金属层的下表面粘接于一热沉上，粘接完成后备用；
S5、清洗基片，选用的是22mm边长的正方形玻璃片，厚度为0.5mm，对基片进行超声波清洗；
S6、匀胶和光刻图形，将清洗后的基片放在匀胶机内的旋转平台上，设定初始转速为600rad/min，时间为15s；再设定工作转速为3500rad/min，时间为65s，初转是为了让光刻胶在基片上均匀散开，而光刻胶的最终厚度主要由工作转速来决定，3500rad/min能形成3.8μm左右厚度的光刻胶薄膜，设定好匀胶参数后，将光刻胶滴4-5滴于玻璃基片正中央，当匀胶机开始旋转后，液态光刻胶在离心力的作用下向四周飞散出去，当旋涂结束后，玻璃基片表面便形成了一层均匀的光刻胶薄膜，再对原料进行前烘、曝光、后烘、显影以及坚膜操作；
S7、薄膜沉积，将玻璃基片放在基片台上，并用压片固定后，放入真空腔体的顶部，此时基片台的正面朝下，而真空腔体的下方便是三个溅射靶槽，而这种结构具有独特的优点，如果是靶在上方，基片台在下方，腔体上表面先前沉积的各种材料碎屑可能会落下，导致腔体底部以及下方的基片表面造成污染，而正因为基片台放置在腔体上方的这种结构，使得设备的清洁与维护工作变得更加方便，磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程，入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，靶原子获得动能后会向基片撞击并沉积在基片上；
S8、Lift-off剥离，将样品泡在水浴加热50℃的丙酮溶液中，浸泡5min后，便成功将光刻胶以及非图形材料剥离掉，其目的是将溶于丙酮溶液的RPN光刻胶以及胶膜上的材料一并剥离下来，只保留沉积在玻璃基底的图形材料，即可行成所述的微型热电偶臂；
S9、将S8中得到微型热电偶臂通过螺栓安装在S4中得到的封装结构的热沉上即可完成制备。
根据上述技术方案：所述步骤S5中超声波清洗方法为：将基片插入花篮，放入烧杯中，去离子水255ml，并超声9min；清洗液0.6ml滴入去离子水中，超声15min；新的去离子水260ml，超声8min；再用氮气吹尘枪吹净残留水滴即可。
有益效果：本发明过螺栓与封装管壳进行集成封装，在封装前进行环境温度为50℃时的芯片表面温度测试，在封装后进行器件壳温测试，两次测试结果表明，微型热电偶臂工作在最大制冷量工况后，能够降低碳化硅器件芯片表面温度以及壳温，然后再进行电学性能测试，结果发现，碳化硅器件的开关损耗不随温度变化而发生明显改变，这是由于构成开关损耗的开通损耗和关断损耗存在相反的温度特性，二者的相互补偿导，致总的开关损耗基本不随温度变化而改变，而随着微型热电偶臂工作电流的增大，导通电阻在逐渐减小，结果表明，将微型热电偶臂与碳化硅器件集成封装后，在一定程度上能够通过热电制冷的方式减小碳化硅器件的导通损耗，降温效果好。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明系统框图；
图中标号：1、热沉；2、粘结层；3、金属层；4、绝缘基板；5、电路层；6、微型热电偶臂。
具体实施方式
下面结合附图1-2对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
实施例一，由图1-2给出，本发明提供一种高导热率碳化硅器件封装结构及方法，包括热沉1、粘结层2、金属层3、绝缘基板4、电路层5和微型热电偶臂6，所述热沉1的表面通过粘结层2连接有金属层3，金属层3的表面通过粘结层2连接有绝缘基板4，绝缘基板4的表面通过粘结层2连接有电路层5，热沉1的底端通过螺栓安装有微型热电偶臂6。
所述绝缘基板4为氮化铝陶瓷材料、氧化铝陶瓷材料或者碳化硅陶瓷材料中一种或几种。
所述粘结层2采用活性金属钎焊材料。
一种高导热率碳化硅器件封装方法，包括如下步骤：
S1、选料，选取厚度在0.15mm～3.5mm的范围内的电路层；
S2、焊接，采用活性金属钎焊法将所述电路层粘接于一绝缘基板的上表面；
S3、选取金属，选取金属层，金属层的厚度在0.15mm～4.5mm的范围内；
S4、再次焊接，采用活性金属钎焊法将所述金属层的上表面粘接于所述绝缘基板的下表面，以及将所述金属层的下表面粘接于一热沉上，粘接完成后备用；
S5、清洗基片，选用的是22mm边长的正方形玻璃片，厚度为0.5mm，对基片进行超声波清洗；
S6、匀胶和光刻图形，将清洗后的基片放在匀胶机内的旋转平台上，设定初始转速为600rad/min，时间为15s；再设定工作转速为3500rad/min，时间为65s，初转是为了让光刻胶在基片上均匀散开，而光刻胶的最终厚度主要由工作转速来决定，3500rad/min能形成3.8μm左右厚度的光刻胶薄膜，设定好匀胶参数后，将光刻胶滴4-5滴于玻璃基片正中央，当匀胶机开始旋转后，液态光刻胶在离心力的作用下向四周飞散出去，当旋涂结束后，玻璃基片表面便形成了一层均匀的光刻胶薄膜，再对原料进行前烘、曝光、后烘、显影以及坚膜操作；
S7、薄膜沉积，将玻璃基片放在基片台上，并用压片固定后，放入真空腔体的顶部，此时基片台的正面朝下，而真空腔体的下方便是三个溅射靶槽，而这种结构具有独特的优点，如果是靶在上方，基片台在下方，腔体上表面先前沉积的各种材料碎屑可能会落下，导致腔体底部以及下方的基片表面造成污染，而正因为基片台放置在腔体上方的这种结构，使得设备的清洁与维护工作变得更加方便，磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程，入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，靶原子获得动能后会向基片撞击并沉积在基片上；
S8、Lift-off剥离，将样品泡在水浴加热50℃的丙酮溶液中，浸泡5min后，便成功将光刻胶以及非图形材料剥离掉，其目的是将溶于丙酮溶液的RPN光刻胶以及胶膜上的材料一并剥离下来，只保留沉积在玻璃基底的图形材料，即可行成所述的微型热电偶臂；
S9、将S8中得到微型热电偶臂通过螺栓安装在S4中得到的封装结构的热沉上即可完成制备。
所述步骤S5中超声波清洗方法为：将基片插入花篮，放入烧杯中，去离子水255ml，并超声9min；清洗液0.6ml滴入去离子水中，超声15min；新的去离子水260ml，超声8min；再用氮气吹尘枪吹净残留水滴即可。
有益效果：本发明过螺栓与封装管壳进行集成封装，在封装前进行环境温度为50℃时的芯片表面温度测试，在封装后进行器件壳温测试，两次测试结果表明，微型热电偶臂工作在最大制冷量工况后，能够降低碳化硅器件芯片表面温度以及壳温，然后再进行电学性能测试，结果发现，碳化硅器件的开关损耗不随温度变化而发生明显改变，这是由于构成开关损耗的开通损耗和关断损耗存在相反的温度特性，二者的相互补偿导，致总的开关损耗基本不随温度变化而改变，而随着微型热电偶臂工作电流的增大，导通电阻在逐渐减小，结果表明，将微型热电偶臂与碳化硅器件集成封装后，在一定程度上能够通过热电制冷的方式减小碳化硅器件的导通损耗，降温效果好。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (5)
1.一种高导热率碳化硅器件封装结构，包括热沉(1)、粘结层(2)、金属层(3)、绝缘基板(4)、电路层(5)和微型热电偶臂(6)，其特征在于：所述热沉(1)的表面通过粘结层(2)连接有金属层(3)，金属层(3)的表面通过粘结层(2)连接有绝缘基板(4)，绝缘基板(4)的表面通过粘结层(2)连接有电路层(5)，热沉(1)的底端通过螺栓安装有微型热电偶臂(6)。
2.根据权利要求1所述的一种高导热率碳化硅器件封装结构及方法，其特征在于，所述绝缘基板(4)为氮化铝陶瓷材料、氧化铝陶瓷材料或者碳化硅陶瓷材料中一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种高导热率碳化硅器件封装结构及方法，其特征在于，所述粘结层(2)采用活性金属钎焊材料。
4.一种高导热率碳化硅器件封装方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选料，选取厚度在0.15mm～3.5mm的范围内的电路层；
S2、焊接，采用活性金属钎焊法将所述电路层粘接于一绝缘基板的上表面；
S3、选取金属，选取金属层，金属层的厚度在0.15mm～4.5mm的范围内；
S4、再次焊接，采用活性金属钎焊法将所述金属层的上表面粘接于所述绝缘基板的下表面，以及将所述金属层的下表面粘接于一热沉上，粘接完成后备用；
S5、清洗基片，选用的是22mm边长的正方形玻璃片，厚度为0.5mm，对基片进行超声波清洗；
S6、匀胶和光刻图形，将清洗后的基片放在匀胶机内的旋转平台上，设定初始转速为600rad/min，时间为15s；再设定工作转速为3500rad/min，时间为65s，初转是为了让光刻胶在基片上均匀散开，而光刻胶的最终厚度主要由工作转速来决定，3500rad/min能形成3.8μm左右厚度的光刻胶薄膜，设定好匀胶参数后，将光刻胶滴4-5滴于玻璃基片正中央，当匀胶机开始旋转后，液态光刻胶在离心力的作用下向四周飞散出去，当旋涂结束后，玻璃基片表面便形成了一层均匀的光刻胶薄膜，再对原料进行前烘、曝光、后烘、显影以及坚膜操作；
S7、薄膜沉积，将玻璃基片放在基片台上，并用压片固定后，放入真空腔体的顶部，此时基片台的正面朝下，而真空腔体的下方便是三个溅射靶槽，而这种结构具有独特的优点，如果是靶在上方，基片台在下方，腔体上表面先前沉积的各种材料碎屑可能会落下，导致腔体底部以及下方的基片表面造成污染，而正因为基片台放置在腔体上方的这种结构，使得设备的清洁与维护工作变得更加方便，磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程，入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，靶原子获得动能后会向基片撞击并沉积在基片上；
S8、Lift-off剥离，将样品泡在水浴加热50℃的丙酮溶液中，浸泡5min后，便成功将光刻胶以及非图形材料剥离掉，其目的是将溶于丙酮溶液的RPN光刻胶以及胶膜上的材料一并剥离下来，只保留沉积在玻璃基底的图形材料，即可行成所述的微型热电偶臂；
S9、将S8中得到微型热电偶臂通过螺栓安装在S4中得到的封装结构的热沉上即可完成制备。
5.根据权利要求4所述的一种高导热率碳化硅器件封装结构及方法，其特征在于，所述步骤S5中超声波清洗方法为：将基片插入花篮，放入烧杯中，去离子水255ml，并超声9min；清洗液0.6ml滴入去离子水中，超声15min；新的去离子水260ml，超声8min；再用氮气吹尘枪吹净残留水滴即可。
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