CN114400210B - 一种双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构，包括上陶瓷基板、下陶瓷基板及金属密封带；上陶瓷基板的内部设置有第一金属化区域、第二金属化区域、第三金属化区域、第四金属化区域、第五金属化区域、第六金属化区域、第七金属化区域、第八金属化区域、上桥臂的SiC MOSFET、下桥臂的SiC MOSFET、第一垫片、第二垫片、第三垫片及第四垫片；上陶瓷基板的背面设置有第一背部金属化区域、第二背部金属化区域、第三背部金属化区域、第四背部金属化区域、第五背部金属化区域、第六背部金属化区域及第七背部金属化区域，该结构具有低成本、高可靠性、低寄生参数及耐高温的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种封装结构，具体涉及一种双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构。
背景技术
碳化硅器件是目前民用、军用功率半导体中最具有发展潜力的器件，这是因为碳化硅器件具有耐高温、高频、高压的优势。因此，碳化硅器件已经逐步替代硅器件，应用场合日益广泛。
碳化硅器件的的理论工作温度可以达到500℃以上，但由于封装材料、绝缘材料、高温焊料等的限制，实际应用中器件最高温度往往只有150摄氏度，这使得碳化硅器件本身的性能优势无法充分发挥。
越来越多的研究针对于高温碳化硅器件的封装，金属封装和陶瓷封装在目前军用场合使用最为广泛。但是，这两种封装形式有一定的局限性：1)模具制作费用高；2)设计及生产周期长，金属封装需要3个月以上，陶瓷封装则需要半年以上；3)生产周期长带来的无法预生产问题可能造成大批量产品的报废；4)一般仅针对于单个半导体芯片，集成度差；5)引脚上具有较大的寄生参数。
除上述封装形式的选择与时间、成本、寄生参数之间难以平衡的问题外，高温封装还面临着绝缘困难、焊接困难的问题。传统的硅凝胶、绝缘油、环氧树脂等材料耐温低；传统的使用焊锡膏等芯片贴装的方法，熔点也仅在200℃左右。这都极大地限制了高温下碳化硅器件封装技术的发展。
功率模块是将一系列电力电子功率芯片按照一定的功能进行封装集成形成的模块，相比于分立器件，具有更高的可靠性，更高的功率密度，以及更低的损耗，在电力电子系统中起着至关重要的的作用。因此，高温下功率模块的封装集成技术是一个迫切需要关注的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构，该结构具有低成本、高可靠性、低寄生参数及耐高温的特点。
为达到上述目的，本发明所述的双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构包括上陶瓷基板、下陶瓷基板及金属密封带；
上陶瓷基板的内部设置有第一金属化区域、第二金属化区域、第三金属化区域、第四金属化区域、第五金属化区域、第六金属化区域、第七金属化区域、第八金属化区域、上桥臂的SiC MOSFET、下桥臂的SiC MOSFET、第一垫片、第二垫片、第三垫片及第四垫片；上陶瓷基板的背面设置有第一背部金属化区域、第二背部金属化区域、第三背部金属化区域、第四背部金属化区域、第五背部金属化区域、第六背部金属化区域及第七背部金属化区域；
第二金属化区域、第三金属化区域及第四金属化区域分别对应半桥电路结构的AC端、DC+端及DC-端，第三金属化区域及第四金属化区域通过打孔分别与第六背部金属化区域及第七背部金属化区域电气连接，第六背部金属化区域及第七背部金属化区域与外部电源进行连接；
第五金属化区域及第六金属化区域分别对应上桥臂的SiC MOSFET的开尔文源极及栅极，第七金属化区域及第八金属化区域分别对应下桥臂的SiC MOSFET的开尔文源极及栅极，第五金属化区域、第六金属化区域、第七金属化区域及第八金属化区域通过打孔分别与第一背部金属化区域、第二背部金属化区域、第三背部金属化区域及第四背部金属化区域电气连接；
下陶瓷基板的内部设置有第九金属化区域、第十金属化区域、第十一金属化区域、第十二金属化区域、第十三金属化区域、第十四金属化区域、第十五金属化区域、第十六金属化区域及第十七金属化区域；下陶瓷基板的背面设置有第八背部金属化区域、第九背部金属化区域、第十背部金属化区域、第十一背部金属化区域、第十二背部金属化区域、第十三背部金属化区域、第十四背部金属化区域及第十五背部金属化区域；
第十金属化区域及第十一金属化区域分别对应半桥电路结构的DC+端及AC端，第十一金属化区域通过打孔与第十背部金属化区域实现电气连接；
第十二金属化区域、第十三金属化区域、第十四金属化区域、第十五金属化区域、第十六金属化区域及第十七金属化区域通过打孔分别与第八背部金属化区域、第九背部金属化区域、第十一背部金属化区域、第十二背部金属化区域、第十三背部金属化区域及第十四背部金属化区域电气连接；
上桥臂的SiC MOSFET的电极开尔文源极、栅极、功率源极及漏极分别由第五金属化区域、第六金属化区域、第二金属化区域及第一垫片引出，下桥臂的SiC MOSFET的电极开尔文源极、栅极、功率源极及漏极分别由第七金属化区域、第八金属化区域、第四金属化区域及第二垫片引出；
第一垫片将上桥臂的SiC MOSFET的漏极引出并与第十金属化区域连接；
第二垫片将上桥臂的SiC MOSFET的漏极引出并与第十一金属化区域连接；
第三垫片将第二金属化区域与第十一金属化区域连接；
第四垫片将第三金属化区域与第十金属化区域连接；
陶瓷基板中的所有通孔均使用Cu材料进行填充，以保证封装的气密性。
第一金属化区域与第九金属化区域通过金属密封带相连接。
第六背部金属化区域及第七背部金属化区域通过螺丝与外部电源进行连接。
第一背部金属化区域及第三背部金属化区域分别为上桥臂的SiC MOSFET及下桥臂的SiC MOSFET的开尔文源极，则第二背部金属化区域及第四背部金属化区域分别为上桥臂的SiC MOSFET及下桥臂的的SiC MOSFET的栅极，用于与外部驱动电路相连接。
第十二金属化区域、第十三金属化区域、第十四金属化区域、第十五金属化区域、第十六金属化区域及第十七金属化区域为预留的电流检测及结温检测输出引脚。
金属密封带为环形结构。
上桥臂的SiC MOSFET及下桥臂的SiC MOSFET采用倒装结构贴装。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构在具体操作时，上陶瓷基板及下陶瓷基板具有低寄生参数、高硬度及低热膨胀系数的优点，在表面对应位置进行双面金属化处理，以形成导电通路，双面金属化的处理可以有效放置封装结构因受热而弯曲的现象，同时通过金属密封带进行密封，代替传统的环氧树脂、硅凝胶密封方式，使该封装在高温下工作更为可靠，可以充分发挥碳化硅芯片的高温优势。另外，本发明采用金属化区域的方式连接，散热性能优异，减小了功率模块中散热器的体积，提高了功率密度，减小寄生参数。同时采用芯片倒装结构，避免了键合线、键合带等电极引出方式带来的可靠性问题。
附图说明
图1为上陶瓷基板101的内部结构图；
图2为上陶瓷基板101的背面示意图；
图3为下陶瓷基板124的内部结构图；
图4为下陶瓷基板124的背面示意图；
图5为金属密封带116的位置图。
其中，101为上陶瓷基板、102为第一金属化区域、103为第二金属化区域、104为第三金属化区域、105为第四金属化区域、106为第五金属化区域、107为第六金属化区域、108为第七金属化区域、109为第八金属化区域、110为上桥臂的SiC MOSFET、111为下桥臂的SiCMOSFET、112为第一垫片、113为第二垫片、114为第三垫片、115为第四垫片、116为金属密封带、117为第一背部金属化区域、118为第二背部金属化区域、119为第三背部金属化区域、120为第四背部金属化区域、121为第五背部金属化区域、122为第六背部金属化区域、123为第七背部金属化区域、124为下陶瓷基板、125为第九金属化区域、126为第十金属化区域、127为第十一金属化区域、128为第十二金属化区域、129为第十三金属化区域、130为第十四金属化区域、131为第十五金属化区域、132为第十六金属化区域、133为第十七金属化区域、134为第八背部金属化区域、135为第九背部金属化区域、136为第十背部金属化区域、137为第十一背部金属化区域、138为第十二背部金属化区域、139为第十三背部金属化区域、140为第十四背部金属化区域、141为第十五背部金属化区域。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。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，都应当属于本发明保护的范围。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明所述的双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构包括上陶瓷基板101、下陶瓷基板124及金属密封带116；
参考图1及图2，上陶瓷基板101的内部设置有第一金属化区域102、第二金属化区域103、第三金属化区域104、第四金属化区域105、第五金属化区域106、第六金属化区域107、第七金属化区域108、第八金属化区域109、上桥臂的SiC MOSFET110、下桥臂的SiCMOSFET111、第一垫片112、第二垫片113、第三垫片114及第四垫片115；
上陶瓷基板101的背面设置有第一背部金属化区域117、第二背部金属化区域118、第三背部金属化区域119、第四背部金属化区域120、第五背部金属化区域121、第六背部金属化区域122及第七背部金属化区域123；
第一金属化区域102为预留的与金属密封带116进行焊接的区域，非电路连接用。
第二金属化区域103、第三金属化区域104及第四金属化区域105分别对应半桥电路结构的AC端、DC+端及DC-端，第三金属化区域104及第四金属化区域105通过打孔分别与带圆形开孔引脚的第六背部金属化区域122及第七背部金属化区域123实现电气连接，其中，第六背部金属化区域122为DC+引出端，第七背部金属化区域123为DC-引出端，第六背部金属化区域122及第七背部金属化区域123通过螺丝与外部电源进行连接。
第五金属化区域106及第六金属化区域107分别对应上桥臂的SiC MOSFET110的开尔文源极及栅极，用于与外部驱动电路相连接，第七金属化区域108及第八金属化区域109分别对应下桥臂的SiC MOSFET111的开尔文源极及栅极，第五金属化区域106、第六金属化区域107、第七金属化区域108及第八金属化区域109通过打孔分别与带开孔引脚的第一背部金属化区域117、第二背部金属化区域118、第三背部金属化区域119及第四背部金属化区域120实现电气连接，则第一背部金属化区域117及第三背部金属化区域119分别为上桥臂的SiC MOSFET110及下桥臂的SiC MOSFET111的开尔文源极，则第二背部金属化区域118及第四背部金属化区域120分别为上桥臂的SiC MOSFET110及下桥臂的的SiC MOSFET111的栅极，用于与外部驱动电路相连接。
第五背部金属化区域121用于避免高温产生的基板翘曲，非电路连接用。
参考图3及图4，下陶瓷基板124内部设置有第九金属化区域125、第十金属化区域126、第十一金属化区域127、第十二金属化区域128、第十三金属化区域129、第十四金属化区域130、第十五金属化区域131、第十六金属化区域132及第十七金属化区域133；下陶瓷基板124的背面设置有第八背部金属化区域134、第九背部金属化区域135、第十背部金属化区域136、第十一背部金属化区域137、第十二背部金属化区域138、第十三背部金属化区域139、第十四背部金属化区域140及第十五背部金属化区域141；
第九金属化区域125为预留的与金属密封带116进行焊接的区域，非电路连接用。
第十金属化区域126及第十一金属化区域127分别对应半桥电路结构的DC+端及AC端。第十一金属化区域127通过打孔与带圆形开孔引脚的第十背部金属化区域136实现电气连接。
第十二金属化区域128、第十三金属化区域129、第十四金属化区域130、第十五金属化区域131、第十六金属化区域132及第十七金属化区域133为预留的电流检测及结温检测输出引脚，第十二金属化区域128、第十三金属化区域129、第十四金属化区域130、第十五金属化区域131、第十六金属化区域132及第十七金属化区域133通过打孔分别与带开孔引脚的第八背部金属化区域134、第九背部金属化区域135、第十一背部金属化区域137、第十二背部金属化区域138、第十三背部金属化区域139及第十四背部金属化区域140实现电气连接。
第十五背部金属化区域141用于避免高温产生的基板翘曲，非电路连接用。
上桥臂的SiC MOSFET110及下桥臂的SiC MOSFET111采用倒装结构贴装，使上桥臂的SiC MOSFET 110的电极开尔文源极、栅极、功率源极及漏极分别由第五金属化区域106、第六金属化区域107、第二金属化区域103及第一垫片112引出，下桥臂的SiC MOSFET111的电极开尔文源极、栅极、功率源极及漏极分别由第七金属化区域108、第八金属化区域109、第四金属化区域105及第二垫片113引出。
第一垫片112将上桥臂的SiC MOSFET110的漏极引出并与第十金属化区域126连接，使第十金属化区域126为DC+端。
第二垫片113将上桥臂的SiC MOSFET110的漏极引出并与第十一金属化区域127连接，使第十一金属化区域127为AC端。
第三垫片114将第二金属化区域103与第十一金属化区域127连接。
第四垫片115将第三金属化区域104与第十金属化区域126连接。
陶瓷基板中的所有通孔均使用Cu材料进行填充，以保证封装的气密性。
如图5所示，第一金属化区域102与第九金属化区域125通过金属密封带116相连接，金属密封带116为环形结构，通过纳米银烧结等技术、或激光封焊等焊接技术，在真空或充氮气的条件下进行密封，使封装内部绝缘，实现封装的气密性。
本发明具有低寄生参数、高散热效率、高集成度、体积小、制作周期短、耐高温、可集成电流检测和温度检测装置的优点。
本发明既可以适用于硅器件，也可适用于碳化硅器件；既可适用于半桥电路，也可将基板金属化区域布局进行调整，从而适用于矩阵电路、全桥电路等各种电路形式。本发明以碳化硅半桥结构为例，即上下桥臂分别各一个SiC MOSFET。
Claims (7)
1.一种双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构，其特征在于，包括上陶瓷基板(101)、下陶瓷基板(124)及金属密封带(116)；
上陶瓷基板(101)的内部设置有第一金属化区域(102)、第二金属化区域(103)、第三金属化区域(104)、第四金属化区域(105)、第五金属化区域(106)、第六金属化区域(107)、第七金属化区域(108)、第八金属化区域(109)、上桥臂的SiC MOSFET(110)、下桥臂的SiCMOSFET(111)、第一垫片(112)、第二垫片(113)、第三垫片(114)及第四垫片(115)；上陶瓷基板(101)的背面设置有第一背部金属化区域(117)、第二背部金属化区域(118)、第三背部金属化区域(119)、第四背部金属化区域(120)、第五背部金属化区域(121)、第六背部金属化区域(122)及第七背部金属化区域(123)；
第二金属化区域(103)、第三金属化区域(104)及第四金属化区域(105)分别对应半桥电路结构的AC端、DC+端及DC-端，第三金属化区域(104)及第四金属化区域(105)通过打孔分别与第六背部金属化区域(122)及第七背部金属化区域(123)电气连接，第六背部金属化区域(122)及第七背部金属化区域(123)与外部电源进行连接；
第五金属化区域(106)及第六金属化区域(107)分别对应上桥臂的SiC MOSFET(110)的开尔文源极及栅极，第七金属化区域(108)及第八金属化区域(109)分别对应下桥臂的SiCMOSFET(111)的开尔文源极及栅极，第五金属化区域(106)、第六金属化区域(107)、第七金属化区域(108)及第八金属化区域(109)通过打孔分别与第一背部金属化区域(117)、第二背部金属化区域(118)、第三背部金属化区域(119)及第四背部金属化区域(120)电气连接；
下陶瓷基板(124)的内部设置有第九金属化区域(125)、第十金属化区域(126)、第十一金属化区域(127)、第十二金属化区域(128)、第十三金属化区域(129)、第十四金属化区域(130)、第十五金属化区域(131)、第十六金属化区域(132)及第十七金属化区域(133)；下陶瓷基板(124)的背面设置有第八背部金属化区域(134)、第九背部金属化区域(135)、第十背部金属化区域(136)、第十一背部金属化区域(137)、第十二背部金属化区域(138)、第十三背部金属化区域(139)、第十四背部金属化区域(140)及第十五背部金属化区域(141)；
第十金属化区域(126)及第十一金属化区域(127)分别对应半桥电路结构的DC+端及AC端，第十一金属化区域(127)通过打孔与第十背部金属化区域(136)实现电气连接；
第十二金属化区域(128)、第十三金属化区域(129)、第十四金属化区域(130)、第十五金属化区域(131)、第十六金属化区域(132)及第十七金属化区域(133)通过打孔分别与第八背部金属化区域(134)、第九背部金属化区域(135)、第十一背部金属化区域(137)、第十二背部金属化区域(138)、第十三背部金属化区域(139)及第十四背部金属化区域(140)电气连接；
上桥臂的SiC MOSFET(110)的电极开尔文源极、栅极、功率源极及漏极分别由第五金属化区域(106)、第六金属化区域(107)、第二金属化区域(103)及第一垫片(112)引出，下桥臂的SiC MOSFET(111)的电极开尔文源极、栅极、功率源极及漏极分别由第七金属化区域(108)、第八金属化区域(109)、第四金属化区域(105)及第二垫片(113)引出；
第一垫片(112)将上桥臂的SiC MOSFET(110)的漏极引出并与第十金属化区域(126)连接；
第二垫片(113)将上桥臂的SiC MOSFET(110)的漏极引出并与第十一金属化区域(127)连接；
第三垫片(114)将第二金属化区域(103)与第十一金属化区域(127)连接；
第四垫片(115)将第三金属化区域(104)与第十金属化区域(126)连接；
第一金属化区域(102)与第九金属化区域(125)通过金属密封带(116)相连接。
2.根据权利要求1所述的双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构，其特征在于，第六背部金属化区域(122)及第七背部金属化区域(123)通过螺丝与外部电源进行连接。
3.根据权利要求1所述的双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构，其特征在于，第一背部金属化区域(117)及第三背部金属化区域(119)分别为上桥臂的SiC MOSFET(110)及下桥臂的SiC MOSFET(111)的开尔文源极，则第二背部金属化区域(118)及第四背部金属化区域(120)分别为上桥臂的SiC MOSFET(110)及下桥臂的的SiC MOSFET(111)的栅极，用于与外部驱动电路相连接。
4.根据权利要求1所述的双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构，其特征在于，第十二金属化区域(128)、第十三金属化区域(129)、第十四金属化区域(130)、第十五金属化区域(131)、第十六金属化区域(132)及第十七金属化区域(133)为预留的电流检测及结温检测输出引脚。
5.根据权利要求1所述的双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构，其特征在于，金属密封带(116)为环形结构。
6.根据权利要求1所述的双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构，其特征在于，上桥臂的SiC MOSFET(110)及下桥臂的SiC MOSFET(111)采用倒装结构贴装。
7.根据权利要求1所述的双面散热芯片倒装的气密性耐高温封装结构，其特征在于，陶瓷基板中的所有通孔均使用Cu材料进行填充，以保证封装的气密性。
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