CN114334897B - 一种igbt模块封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种IGBT模块封装结构。属于功率半导体器件技术领域，本发明通过设置包括共P极层及成阵列排列的N极层单元的结构，实现IGBT模块封装结构中FRD芯片和IGBT芯片的集成化，提高了IGBT模块封装结构的集成度，减小了IGBT模块封装结构的体积。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，特别是涉及一种IGBT模块封装结构。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，功率模块在航空航天，轨道交通，新能源汽车及风力发电，光伏发电等产业得到了越来越广泛的应用。目前市场上主流的功率模块为IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）功率模块。传统的IGBT功率模块的封装主要是通过无铅焊料将功率芯片的集电极和与之反并联的二极管芯片的阳极焊接在覆铜陶瓷基板(Direct Bonded Copper，DBC)上，然后利用引线键合的方式实现芯片与芯片之间以及芯片与DBC板的电气互连。在DBC的另一侧连接有铜基板，铜基板通过导热硅脂和散热器连接，实现功率模块的散热。IGBT模块一般由IGBT芯片、FRD（ Fast RecoveryDiode，快恢复二极管）芯片、DBC、Solder（ 焊料）、Baseplate（基板）、Al/Cu wire（铝/铜铝线）、Case（元件）等组件组成，典型IGBT模块封装结构集成度低，体积大，各组件间分立封装。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种IGBT模块封装结构，以提高IGBT模块封装结构集成度，减小IGBT模块封装结构的体积。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种IGBT模块封装结构，包括从上到下依次设置的集成化芯片结构、覆铜陶瓷基板和下层热沉；
所述集成化芯片结构的下表面通过铜柱与覆铜陶瓷基板的上表面连接；
所述集成化芯片结构的上表面设置有第一非图案化铜层，所述集成化芯片结构的上表面的第一非图案化铜层通过CLIP（条带）与覆铜陶瓷基板的上表面连接；
所述覆铜陶瓷基板的下表面与所述下层热沉通过热界面材料连接；
所述集成化芯片结构，包括：P极层及位于P极层下方的n×n个N极层单元，n×n个N极层单元成阵列排列；
所述N极层单元包括FRD芯片N极层和IGBT芯片N极层；
所述P极层与所述FRD芯片N极层掺杂形成FRD芯片，所述P极层与所述IGBT芯片N极层掺杂形成IGBT芯片。
可选的，所述IGBT芯片N极层和所述FRD芯片N极层通过沟槽隔离。
可选的，所述覆铜陶瓷基板包括从上到下依次设置的图案化铜层、陶瓷层和第二非图案化铜层；
所述图案化铜层包括n×n个铜层单元，n×n个所述铜层单元成阵列排列。
可选的，所述铜层单元包括FRD铜层和IGBT铜层；
所述FRD铜层为I型图案铜层；
所述IGBT铜层包括两个L型图案铜层，两个所述L型图案铜层相对设置。
可选的，IGBT模块封装结构还包括上层热沉，所述上层热沉设置在所述集成化芯片结构的上部。
可选的，IGBT模块封装结构，还包括两个功率端子，两个所述功率端子与所述覆铜陶瓷基板的图案化铜层通过锡膏连接。
可选的，所述CLIP一端通过锡膏与所述第一非图案化铜层连接，所述CLIP的另一端通过锡膏与所述覆铜陶瓷基板的上表面连接。
可选的，所述集成化芯片结构和所述覆铜陶瓷基板的图案化铜层通过环氧塑封料包裹。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种IGBT模块封装结构，包括从上到下依次设置的集成化芯片结构、覆铜陶瓷基板和下层热沉，其中，集成化芯片结构包括：P极层及位于P极层下方的n×n个N极层单元，n×n个N极层单元成阵列排列；所述N极层单元包括FRD芯片N极层和IGBT芯片N极层；所述P极层与所述FRD芯片N极层掺杂形成FRD芯片，所述P极层与所述IGBT芯片N极层掺杂形成IGBT芯片。本发明通过设置包括共P极层及成阵列排列的N极层单元的结构，实现IGBT模块封装结构中FRD芯片和IGBT芯片的集成化，提高了IGBT模块封装结构的集成度，减小了IGBT模块封装结构的体积。
本发明的IGBT模块封装结构中的集成化芯片结构的下表面与覆铜陶瓷基板的上表面采用铜柱以铜铜键合的工艺方式连接，集成化芯片结构的上表面与覆铜陶瓷基板的上表面采用CLIP的结构连接，不使用键合线，减小了模块的寄生电感。
本发明的IGBT模块封装结构中避免了基板的使用，并且可通过热沉实现单面或双面的散热，提高了散热性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，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1提供的集成化芯片结构的俯视图；
图2为本发明实施例1提供的集成化芯片结构的主视图；
图3为本发明实施例1提供的一种IGBT模块封装结构的结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的覆铜陶瓷基板的俯视图；
图5为本发明实施例1提供的覆铜陶瓷基板的主视图；
图6为本发明实施例1提供的集成化芯片结构与覆铜陶瓷基板的键合关系示意图；
图7为本发明实施例2提供的一种IGBT模块封装结构的结构示意图。
具体实施方式
下面将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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种IGBT模块封装结构，以提高IGBT模块封装结构集成度，减小IGBT模块封装结构的体积。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
出于节能和低成本的需求，当前迫切要求功率模块更加轻型化、小型化、且功率密度更大。由于传统IGBT模块引线键合互连结构的存在，工作时会产生较大电磁干扰，降低开关速度，同时还是模块失效的主要原因之一。由于基板的存在，造成模块体积较大，增大热阻。虽然目前关于新型功率模块的封装结构和方法的研究越来越多，然而如何提升功率模块的集成度是目前研究者和厂家面临的一个重要的问题。本发明提出一种无引线、无基板高集成度的IGBT功率模块封装结构。具体如下：
实施例1
如图3所示，本发明实施例1提供一种IGBT模块封装结构，包括从上到下依次设置的集成化芯片结构1、覆铜陶瓷基板2和下层热沉3；所述集成化芯片结构1的下表面通过铜柱4与覆铜陶瓷基板2的上表面连接；所述集成化芯片结构1的上表面设置有第一非图案化铜层5，所述集成化芯片结构1的上表面的第一非图案化铜层5通过CLIP 6与覆铜陶瓷基板2的上表面连接，CLIP 6一端通过锡膏与所述第一非图案化铜层5连接，所述CLIP 6的另一端通过锡膏与所述覆铜陶瓷基板2的上表面连接；所述覆铜陶瓷基板2的下表面与所述下层热沉3通过热界面材料7连接。如图1和2所示，集成化芯片结构1包括：P极层101及位于P极层101下方的n×n个N极层单元，n×n个N极层单元成阵列排列；所述N极层单元包括FRD芯片N极层102和IGBT芯片N极层103，P极层101与FRD芯片N极层102掺杂形成FRD芯片，P极层101与IGBT芯片N极层103掺杂形成IGBT芯片。所述IGBT芯片N极层103和所述FRD芯片N极层102通过沟槽104隔离。如图4和5所示，所述覆铜陶瓷基板2包括从上到下依次设置的图案化铜层201、陶瓷层202和第二非图案化铜层203；所述图案化铜层201包括n×n个铜层单元，n×n个所述铜层单元成阵列排列。本发明的CLIP 6采用Cu CLIP，即铜条带。
作为集成化芯片结构1的一个具体的实现方式，但是不限于该实现方式。
集成化芯片结构1包括IGBT芯片与FRD芯片采用共P极结构；N极层位于P极层101下方，Wafer（晶圆，指制作硅半导体电路所用的硅晶片） N极层由沟槽104隔离，分为FRD和IGBT芯片；IGBT+FRD芯片按方形阵列n×n排列，n取决于晶圆尺寸大小；采用铜柱4实现芯片与DBC的G、E电路互连。
所述铜层单元包括FRD铜层和IGBT铜层；所述FRD铜层为I型图案铜层；所述IGBT铜层包括两个L型图案铜层，两个所述L型图案铜层相对设置，具体的，设第一个L型图案铜层长边和短边分别为a和b，第二L型图案铜层的长边和短边分别为c和d；a、b、c、d依次设置形成带有开口的矩形。
IGBT模块封装结构，还包括两个功率端子8，两个所述功率端子8与所述覆铜陶瓷基板2的图案化铜层201通过锡膏连接。
集成化芯片结构1、覆铜陶瓷基板2的图案化铜层201通过环氧塑封料9包裹。
集成化芯片结构1和覆铜陶瓷基板2的键合关系如图6所示。
本发明的上层热沉和下层热沉3为带有Pin Fin（翅片）的热沉。
作为本发明实施例1的IGBT模块封装结构一个具体的实施方式，但是不限于该实施方式。
IGBT模块封装结构包括：IGBT芯片、FRD芯片、铜柱4、焊料层、CLIP 6、DBC（覆铜陶瓷基板2）、TIM（Thermal Interface Material，导热界面材料）、带有Pin Fin的热沉、EMC（Epoxy Molding Compound，环氧塑封料）。IGBT芯片和FRD芯片下表面通过铜柱采用铜铜键合工艺与DBC上表面连接；IGBT芯片和FRD芯片上表面采用CVD工艺实现表面铜层化；CLIP 6一端通过焊料层与芯片上表面铜层连接，另一端通过焊料层与DBC上表面连接；两个功率端子8通过焊料层与DBC上表面连接；热沉与DBC下表面通过TIM连接；EMC通过注塑工艺将模块包裹。本实施例的焊料由高导热材料构成，例如SAC305（锡膏，SAC是Sn、Ag、Cu的缩写，305为0305的缩写，表示锡膏内含3%银、0.5%铜，其他是锡）、纳米银、纳米铜或混合型的焊料。
覆铜陶瓷基板2为圆形DBC晶圆结构，包括：晶圆上表面为电路设计的功能图形，FRD铜层为I型，IGBT铜层为两L型；图案化铜层201排列与Wafer N极层芯片一致，同为n×n排列；晶圆底面为铜层，中间为陶瓷层202。
实施例2
如图7所示，本发明的IGBT模块封装结构还可以包括上层热沉10，所述上层热沉10设置在所述集成化芯片结构1的上部。此时，铜柱4从侧面引出。
实施例3
本发明实施例3提供了集成化芯片结构1的一个具体实施例，如图1和2所示，集成化芯片结构1包括：P极层101及位于P极层101下方的n×n个N极层单元，n×n个N极层单元成阵列排列；所述N极层单元包括FRD芯片N极层102和IGBT芯片N极层103，P极层101与FRD芯片N极层102掺杂形成FRD芯片，P极层101与IGBT芯片N极层103掺杂形成IGBT芯片。所述IGBT芯片N极层103和所述FRD芯片N极层102通过沟槽104隔离。
实施例4
本发明实施例4提供一种实施例1和2中的IGBT模块封装结构的制备方法，包括如下步骤：
W2W（Wafer to Wafer，晶圆到晶圆），此工艺为本权利要求重点保护，带有芯片的Wafer A和带有图案化铜层201的Wafer B通过热压超声键合工艺实现Wafer to Wafer对应位置的铜铜互连；CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积），利用现有CVD技术在集成化芯片结构1上表面沉积铜层；丝网印刷，使用现有技术将锡膏涂覆在覆铜陶瓷基板2上表面相应位置；贴片，将CLIP 6及功率端子8放置在丝网印刷涂覆的锡膏上；真空回流焊，利用现有技术将功率端子8与CLIP 6通过锡膏焊接在覆铜陶瓷基板2上表面；超声波清洗，利用现有技术对焊接完成后的DBC（覆铜陶瓷基板2）半成品进行清洗，以保证覆铜陶瓷基板2上表面洁净度满足后续工艺要求； X-RAY缺陷检测，利用现有技术通过X光检测筛选出空洞大小符合标准的半成品；壳体灌胶与固化，利用现有技术对壳体内部加注EMC（环氧塑封料9）并抽真空固化；功能测试，对成形后产品进行高低温冲击检验、老化检验，测试静动态参数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明可以实现IGBT功率模块集成度提升、体积减小30%以上，可以实现双面散热，去基板化，提高了散热效率。而且不使用键合线，减小了模块的寄生电感。IGBT+FRD集成化芯片结构进一步减小体积，且提高封装效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种IGBT模块封装结构，其特征在于，包括从上到下依次设置的集成化芯片结构、覆铜陶瓷基板和下层热沉；
所述集成化芯片结构的下表面通过铜柱与覆铜陶瓷基板的上表面连接；
所述集成化芯片结构的上表面设置有第一非图案化铜层，所述集成化芯片结构的上表面的第一非图案化铜层通过CLIP与覆铜陶瓷基板的上表面连接；
所述覆铜陶瓷基板的下表面与所述下层热沉通过热界面材料连接；
所述集成化芯片结构包括：P极层及位于P极层下方的n×n个N极层单元，n×n个N极层单元成阵列排列；
所述N极层单元包括FRD芯片N极层和IGBT芯片N极层；
所述P极层与所述FRD芯片N极层掺杂形成FRD芯片，所述P极层与所述IGBT芯片N极层掺杂形成IGBT芯片。
2.根据权利要求1所述的IGBT模块封装结构，其特征在于，所述IGBT芯片N极层和所述FRD芯片N极层通过沟槽隔离。
3.根据权利要求1所述的IGBT模块封装结构，其特征在于，覆铜陶瓷基板包括从上到下依次设置的图案化铜层、陶瓷层和第二非图案化铜层；
所述图案化铜层包括n×n个铜层单元，n×n个所述铜层单元成阵列排列。
4.根据权利要求3所述的IGBT模块封装结构，其特征在于，所述铜层单元包括FRD铜层和IGBT铜层；
所述FRD铜层为I型图案铜层；
所述IGBT铜层包括两个L型图案铜层，两个所述L型图案铜层相对设置。
5.根据权利要求1所述的IGBT模块封装结构，其特征在于，还包括上层热沉，所述上层热沉设置在所述集成化芯片结构的上部。
6.根据权利要求3所述的IGBT模块封装结构，其特征在于，还包括两个功率端子，两个所述功率端子与所述覆铜陶瓷基板的图案化铜层通过锡膏连接。
7.根据权利要求1所述的IGBT模块封装结构，其特征在于，所述CLIP一端通过锡膏与所述第一非图案化铜层连接，所述CLIP的另一端通过锡膏与所述覆铜陶瓷基板的上表面连接。
8.根据权利要求3所述的IGBT模块封装结构，其特征在于，所述集成化芯片结构和所述覆铜陶瓷基板的图案化铜层通过环氧塑封料包裹。
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