CN114883284A - 碳化硅芯片的耐高温封装结构及其制备方法 - Google Patents

碳化硅芯片的耐高温封装结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了碳化硅芯片的耐高温封装结构及其制备方法，该封装结构包括：陶瓷管壳、陶瓷盖板和芯片模块，陶瓷盖板盖设在陶瓷管壳的上端以封闭陶瓷管壳的上端敞口；芯片模块包括底座、基板、碳化硅芯片、键合线、第一电极端子和第二电极端子，底座盖设在陶瓷管壳的下端以封闭陶瓷管壳的下端敞口，陶瓷盖板、陶瓷管壳和底座共同密封限定出真空腔体；基板设在底座上；碳化硅芯片设在基板的第一金属层上，碳化硅芯片的正面电极与基板的第二金属层通过键合线相连，键合线至少一端的键合点设有辅助加固结构；第一电极端子的一端与第一金属层相连，第二电极端子的一端与第二金属层相连，第一电极端子和第二电极端子密封固定并延伸出陶瓷管壳或陶瓷盖板。

Description

碳化硅芯片的耐高温封装结构及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种碳化硅芯片的耐高温封装结构及其制备方法。
背景技术
相比于传统硅材料，第三代半导体材料碳化硅具有更为优异的物理性能，包括更高的载流子速率、更大的禁带宽度以及更高的热导率等。因此，基于碳化硅制造的功率芯片，能够实现更高的开关速度，进而保证更为高效的电能转换。与此同时，碳化硅功率芯片还能耐受更高的电压，减少系统中需串联的芯片数量，结合热导率高所致的散热装置简化，碳化硅功率芯片能够进一步降低电力电子系统的制造成本。相比于硅基功率芯片仅能在150℃左右使用，碳化硅功率芯片的理论服役温度大幅提高，可达到600℃。碳化硅功率芯片在高温、高压、高频等应用场景的潜力，以及能够提高电能转换效率、降低制造成本的特点，使得其必将在电力电子系统中得到大规模应用。
令人遗憾的是，碳化硅功率芯片封装技术发展相对滞后，导致芯片上述优异特性无法得到充分发挥，对其大规模应用造成了不利影响。例如，碳化硅功率芯片耐高温封装存在的不足，使得封装结构无法在250℃以上的高温可靠服役，因而无法应用于深井钻探(环境温度可达300℃)、太空探索(环境温度可达500℃)等极端环境领域。当前，在碳化硅芯片的高温封装中，主要采用环氧树脂或硅酮凝胶作为填充材料，以期实现芯片终端的外绝缘。然而，温度达到约200℃时，环氧树脂的主体结构即发生分解，导致绝缘能力丧失，无法实现芯片终端外绝缘。对于硅酮凝胶，其绝缘能力随温度升高而大幅降低，温度高于250℃时，绝缘能力已降至无法实现芯片终端外绝缘。芯片终端外绝缘无法实现，会导致介电击穿现象发生，进而造成芯片失效。进一步地，有研发人员利用硅酮弹性体作为封装填充材料，以期实现温度高于250℃时芯片终端的外绝缘。温度高于250℃时，尽管硅酮弹性体的绝缘能力相比室温并未明显下降，但其等温时效的稳定性不佳，随着等温时间延长，绝缘能力大幅下降至无法实现芯片终端外绝缘。显然，采用硅酮弹性体仍无法实现高于250℃芯片终端的外绝缘。
另一方面，在当前碳化硅芯片高温封装中，为了使封装互连层在250℃以上高温可靠服役，基于瞬时液态钎焊连接或铅基焊料钎焊连接实现封装互连，具体包括芯片底部电极与基板、电极端子与基板、基板与底座之间互连等。针对瞬时液态钎焊连接，所形成互连层完全由金属间化合物组成。尽管金属间化合物具有的高熔点使得互连层可以高温服役，但因金属间化合物的韧性较差，导致高温服役过程中互连层受热应力应变作用而极易发生裂纹萌生、扩展。针对铅基焊料钎焊连接，由于铅基焊料熔点限制(低于350℃)，高温服役过程中互连层发生明显蠕变现象，短时间内就会有裂纹萌生、扩展。互连层发生裂纹萌生、扩展，使得封装热阻增大，进而造成芯片因局部过热而失效。因此，现有钎焊连接工艺形成的互连层均无法实现在250℃以上高温的长期可靠服役。同时，当前高温封装结构引线键合形成的键合点在高温服役过程中存在较大电流密度及应力。强电流密度作用下，键合点容易发生电迁移失效，而随着应力循环累积，键合点容易发生疲劳失效，不利于封装结构的长期高温可靠服役。
因此，现有的碳化硅芯片的耐高温封装结构有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种碳化硅芯片的耐高温封装结构及其制备方法。该封装结构可以有效解决当前高温封装中，碳化硅芯片的终端外绝缘问题以及键合点失效问题，进而实现在250℃以上高温的长期可靠服役。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种碳化硅芯片的耐高温封装结构。根据本发明的实施例，所述碳化硅芯片的耐高温封装结构包括：
陶瓷管壳，所述陶瓷管壳上下敞口；
陶瓷盖板，所述陶瓷盖板盖设在所述陶瓷管壳的上端以封闭所述陶瓷管壳的上端敞口；
芯片模块，所述芯片模块包括：
底座，所述底座盖设在所述陶瓷管壳的下端以封闭所述陶瓷管壳的下端敞口，并且所述陶瓷盖板、所述陶瓷管壳和所述底座共同密封限定出真空腔体；
基板，所述基板设在所述底座上且位于所述真空腔体内，并且所述基板上远离所述底座的一侧表面设有第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层间隔布置；
碳化硅芯片和键合线，所述碳化硅芯片设在所述第一金属层上，所述碳化硅芯片的正面电极与所述第二金属层通过所述键合线相连，并且所述键合线的至少一端的键合点设有辅助加固结构；
第一电极端子和第二电极端子，所述第一电极端子的一端与所述第一金属层相连，所述第一电极端子密封固定并延伸出所述陶瓷管壳或所述陶瓷盖板，所述第二电极端子的一端与所述第二金属层相连，所述第二电极端子密封固定并延伸出所述陶瓷管壳或所述陶瓷盖板。
根据本发明中碳化硅芯片的耐高温封装结构，通过将陶瓷盖板盖设在陶瓷管壳的上端以封闭陶瓷管壳的上端敞口，芯片模块中的底座设在陶瓷管壳的下端以封闭陶瓷管壳的下端敞口，并且陶瓷盖板、陶瓷管壳和底座共同密封限定出真空腔体，底座上设有基板，基板上设有第一金属层和第二金属层，碳化硅芯片设在第一金属层，碳化硅芯片的正面电极与第二金属层通过键合线相连，并且键合线的至少一端键合点位置设有辅助加固结构，第一金属层上连接有第一电极端子的一端，第二金属层连接有第二电极端子，第一电极端子密封固定并延伸出陶瓷管壳或陶瓷盖板，第二电极端子密封固定并延伸出陶瓷管壳或陶瓷盖板。本申请采用耐高温的陶瓷盖板、陶瓷管壳和底座作为封装材料，并且陶瓷盖板、陶瓷管壳和底座共同密封限定出真空腔体，可以有效解决碳化硅芯片的终端外绝缘问题，在此基础上，本申请在键合点处设置辅助加固结构，可以增强键合点对外部机械载荷的抵抗能力，并有效解决当前高温封装中键合点因电流密度以及应力过大导致的失效问题。由此，本申请的封装结构可以实现在250℃以上高温的长期可靠服役。
另外，根据本发明上述实施例的碳化硅芯片的耐高温封装结构还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述陶瓷管壳和所述陶瓷盖板的材料分别独立地包括氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。由此，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。
在本发明的一些实施例中，所述第一金属层和所述第二金属层的材料分别独立地包括铜、铝、钨铜合金或钼铜合金。由此，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。
在本发明的一些实施例中，所述真空腔体的内部气压小于3×10-3Pa。由此，可以有效解决当前高温封装中芯片终端的外绝缘问题，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。
在本发明的一些实施例中，所述键合点处的辅助加固结构包括在所述键合点位置进行纳米金属颗粒烧结或高温钎料钎焊连接时形成的结构。由此，可以有效解决封装结构中键合点失效问题，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。
在本发明的一些实施例中，所述基板的材料包括氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。由此，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。
在本发明的一些实施例中，所述底座的材料包括铝碳化硅复合材料或铝金刚石复合材料。由此，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。
在本发明的一些实施例中，所述底座上设有金属可焊层，所述金属可焊层包括银可焊层、金可焊层或镍可焊层。由此，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。
在本发明的一些实施例中，所述键合线上沉积金属可焊层，所述沉积的金属可焊层包括银可焊层、金可焊层或镍可焊层。由此，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述碳化硅芯片的耐高温封装结构的方法，该方法包括：
(1)将基板置于底座上表面，采用耐高温互连工艺实现所述基板与所述底座之间互连；
(2)将碳化硅芯片置于所述基板的第一金属层之上，采用耐高温互连工艺实现所述碳化硅芯片的背面电极与所述第一金属层之间互连，基于引线键合工艺，将所述碳化硅芯片的正面电极与所述基板上第二金属层连接在一起，同时对所述键合线的至少一端形成的键合点进行辅助加固；
(3)采用耐高温互连工艺，将所述第一电极端子密封固定并延伸出所述陶瓷管壳或陶瓷盖板，将所述第二电极端子密封固定并延伸出所述陶瓷管壳或陶瓷盖板；
(4)采用耐高温互连工艺将所述底座形成在陶瓷管壳的下端以封闭所述陶瓷管壳的下端敞口，并且采用耐高温互连工艺，将所述密封固定于陶瓷管壳的第一电极端子与所述基板的第一金属层相连，将所述密封固定于陶瓷管壳的第二电极端子与所述基板的第二金属层相连；
(5)在真空环境下，采用耐高温互连工艺实现所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳上端敞口的密封固定，同时采用耐高温互连工艺，将所述密封固定于陶瓷盖板的第一电极端子与所述基板的第一金属层相连，将所述密封固定于陶瓷盖板的第二电极端子与所述基板的第二金属层相连，所述陶瓷盖板、所述陶瓷管壳和所述底座共同密封限定出真空腔体，以便得到碳化硅芯片的耐高温封装结构。
根据本发明中制备碳化硅芯片耐高温封装结构的方法，通过采用耐高温互连工艺将基板形成在底座上，同时采用耐高温互连工艺，将碳化硅芯片的背面电极形成在基板的第一金属层上，基于引线键合工艺，将碳化硅芯片的正面电极与第二金属层连接在一起，同时对所述键合线的至少一端形成的键合点进行辅助加固；然后采用耐高温互连工艺将底座形成在陶瓷管壳的下端以封闭陶瓷管壳的下端敞口，最终在真空环境下，采用耐高温互连工艺实现陶瓷盖板与陶瓷管壳上端敞口的密封固定，并且陶瓷盖板、陶瓷管壳和底座共同密封限定出真空腔体，得到碳化硅芯片的耐高温封装结构。本申请方法中采用耐高温的陶瓷盖板、陶瓷管壳和底座作为封装材料，并且陶瓷盖板、陶瓷管壳和底座共同密封限定出真空腔体，可以有效解决碳化硅芯片的终端外绝缘问题，在此基础上，本申请通过在键合点位置进行辅助加固，可以增强键合点对外部机械载荷的抵抗能力，并有效解决当前高温封装中键合点因电流密度以及应力过大导致的失效问题。由此，采用本申请的方法得到的封装结构可以实现在250℃以上高温的长期可靠服役。
另外，根据本发明上述实施例的制备碳化硅芯片的耐高温封装结构的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述耐高温互连工艺包括纳米金属颗粒烧结、高温钎料钎焊连接、冷压焊接、热压焊接或基于高温胶体的胶接。
在本发明的一些实施例中，在采用所述耐高温互连工艺将所述底座形成在所述陶瓷管壳的下端之前，预先对所述底座和所述陶瓷管壳的相应位置进行金属可焊化处理；采用耐高温互连工艺实现所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳上端敞口的密封固定之前，预先对所述陶瓷盖板和所述陶瓷管壳的相应位置进行金属可焊化处理。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的碳化硅芯片的耐高温封装结构的爆炸图；
图2a是根据本发明一个实施例的碳化硅芯片的耐高温封装结构封装后的结构示意图；
图2b是根据本发明一个实施例的陶瓷管壳和芯片模块的结构示意图；
图2c是根据本发明一个实施例的芯片模块结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的碳化硅芯片的耐高温封装结构的剖面图；
图4是根据本发明一个实施例的辅助加固结构示意图；
图5是根据本发明一个实施例的制备碳化硅芯片的耐高温封装结构的方法流程示意图；
图6是本发明一个实施例的对键合点进行辅助加固的工艺流程图；
图7是对比例得到的高温封装结构中碳化硅芯片附近的应力分布云图；
图8是对比例得到的高温封装结构中碳化硅芯片附近的电流密度分布云图；
图9是实施例得到的高温封装结构中碳化硅芯片附近的应力分布云图；
图10是实施例得到的高温封装结构中碳化硅芯片附近的电流密度分布云图；
图11是对比例和实施例两种高温封装结构键合点平均应力及平均电流密度图，
附图标记：
陶瓷管壳：10；陶瓷盖板：20；芯片模块：30；底座：301；基板：302；碳化硅芯片：303；键合线：321；第一电极端子：304；第二电极端子：305；真空腔体：40；第一金属层：31；第二金属层：32；辅助加固结构：322。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种碳化硅芯片的耐高温封装结构。根据本发明的实施例，参考图1，该碳化硅芯片的耐高温封装结构包括：陶瓷管壳10、陶瓷盖板20和芯片模块30。
根据本发明的一个实施例，参考图1，陶瓷管壳10上下敞口，陶瓷盖板20盖设在陶瓷管壳10的上端以封闭陶瓷管壳10的上端敞口。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对陶瓷管壳10和陶瓷盖板20的具体材质进行选择，例如陶瓷管壳10和陶瓷盖板20的材料可以分别独立地包括氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。
根据本发明的一个实施例，参考图1，芯片模块30包括底座301、基板302、碳化硅芯片303、键合线321、第一电极端子304和第二电极端子305。
根据本发明的一个实施例，参考图2a和图3，底座301盖设在陶瓷管壳10的下端以封闭陶瓷管壳10的下端敞口，并且陶瓷盖板20、陶瓷管壳10和底座301共同密封限定出真空腔体40，可以有效解决碳化硅芯片303的终端外绝缘问题。具体的，真空腔体40内的气压小于3×10-3Pa。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对底座301的具体材质进行选择，例如，底座301的材料包括铝碳化硅复合材料或铝金刚石复合材料。进一步地，可以根据需要在底座301表面沉积金属可焊层(未示出)，其中，金属可焊层包括银可焊层、金可焊层或镍可焊层，并且金属可焊层厚度为1μm～5μm。
根据本发明的一个实施例，参考图1和图3，基板302设在底座301上且位于真空腔体40内，并且基板302上远离底座301的一侧表面上设有第一金属层31和第二金属层32，第一金属层31和第二金属层32间隔布置，优选基板302设置在底座301的中央。需要说明的是，可以根据需要在基板302上设置多个第一金属层31和多个第二金属层32，并且多个第一金属层31之间间隔布置，多个第二金属层32间隔布置，同时多个第一金属层31和多个第二金属层32可以分别根据其实际需要设定其形状，另外本领域技术人员可以根据实际需要对基板302、第一金属层31和第二金属层32的具体材质进行选择，例如，基板302的材料包括氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氧化锆陶瓷；第一金属层31和第二金属层32的材料分别独立地包括铜、铝、钨铜合金或钼铜合金。
根据本发明的一个实施例，参考图1、图2b和图2c，碳化硅芯片303设在第一金属层31上且位于真空腔体40内，并且碳化硅芯片303的正面电极与第二金属层32通过键合线321相连。优选地，碳化硅芯片303的个数与上述基板302上第一金属层31的个数一一对应，即每个第一金属层31上均设有一个碳化硅芯片303。设置在每个第一金属层31上的碳化硅芯片303可以相同或不同，同时每个碳化硅芯片303的正面电极可以与多个第二金属层32通过键合线321相连。例如参考图2b和图2c，基板302上设置一个第一金属层31以及两个第二金属层32，碳化硅芯片303设在第一金属层31上，并且碳化硅芯片303的正面电极分别与两个第二金属层32通过键合线321相连。需要说明的是，本申请采用的碳化硅芯片303为本领域常规的碳化硅芯片，此处不再赘述。
进一步地，上述键合线321可以为金属丝材或金属带材，并且其材料包括金、铝、银、铜或镍。同时为了提高本申请封装结构在250℃以上高温长期服役的可靠性，在键合线321的至少一端的键合点设有辅助加固结构322，参考图4，在键合线321与碳化硅芯片303的正面电极形成的键合点位置设有辅助加固结构322和/或键合线321与第二金属层32形成的键合点位置设有辅助加固结构322，优选在键合线321两端的键合点位置均设有辅助加固结构322，从而可以增强键合点对外部机械载荷的抵抗能力，并解决当前高温封装中键合点因电流密度以及应力过大导致的失效问题，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。根据本发明的具体实施例，上述键合点处的辅助加固结构322包括在键合点位置进行纳米金属颗粒烧结或高温钎料钎焊连接时形成的结构。具体的，在键合线321与碳化硅芯片303的正面电极形成的键合点和/或键合线321与第二金属层32形成的键合点部位涂敷纳米金属颗粒焊膏体或高温钎料，而后通过烧结纳米焊膏或高温钎料钎焊实现键合点的辅助加固。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要对纳米金属颗粒焊膏和高温钎料的具体类型进行选择，此处不再赘述。
进一步地，在上述键合线321上沉积金属可焊层，例如金属可焊层包括银可焊层、金可焊层或镍可焊层，并且本领域技术人员可以根据实际需要，对沉积在上述键合线321上的金属可焊层的厚度进行选择。
根据本发明的一个实施例，参考图1、图2a、图2b、图2c和图3，第一电极端子304的一端与第一金属层31相连，第一电极端子304的另一端密封固定并延伸出陶瓷管壳10或陶瓷盖板20，第二电极端子305的一端与第二金属层32相连，第二电极端子305的另一端密封固定并延伸出陶瓷管壳10或陶瓷盖板20。需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需要设置多个第一电极端子301和多个第二电极端子305，优选地，第一电极端子304与第一金属层31数量一一对应，第二电极端子305与第二金属层32一一对应，即每个第一金属层31均连接一个第一电极端子304，同时每个第二金属层32上均连接一个第二电极端子305。例如参考图2b和图2c，基板302上设置有一个第一金属层31以及两个第二金属层32、一个第一电极端子304和两个第二电极端子305，其中，第一电极端子304的一端与第一金属层31相连，并且第一电极端子304的另一端密封固定并延伸出陶瓷管壳10以实现与外界的电学互连，同时每个第二电极端子305的一端与一个第二金属层32相连，第二电极端子305的另一端密封固定并延伸出陶瓷管壳10以实现与外界的电学互连。
需要说明的是，上述陶瓷盖板20盖设在陶瓷管壳10的上端以封闭陶瓷管壳10的上端敞口、底座301盖设在陶瓷管壳10的下端以封闭陶瓷管壳10的下端敞口、基板302设在底座301上、碳化硅芯片303设在第一金属层31上、第一电极端子304的一端与第一金属层31相连、第一电极端子304的另一端密封固定于陶瓷管壳10或陶瓷盖板20、第二电极端子305的一端与第二金属层32相连、第二电极端子305的另一端密封固定于陶瓷管壳10或陶瓷盖板20均采用耐高温互连工艺实现，其中耐高温互连工艺包括纳米金属颗粒烧结、高温钎料钎焊连接、冷压焊接、热压焊接或基于高温胶体的胶接。进一步地，耐高温互连工艺形成的互连层均能耐受250℃以上高温。对于纳米金属颗粒烧结，包括纳米银颗粒烧结、纳米铜颗粒烧结，或基于铜银核-壳结构纳米颗粒的铜银混合烧结。对于高温钎料钎焊连接，所用钎料的熔点不低于500℃。由此，可以实现封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。
根据本发明一个实施例的碳化硅芯片的耐高温封装结构具有如下之一优点：
1、能够解决当前碳化硅芯片高温封装中温度高于250℃情况下，有机绝缘材料绝缘能力不足以及互连层力学可靠性差所致的芯片失效问题；
2、能够增强键合点对外部机械载荷的抵抗能力，并解决当前高温封装中键合点因电流密度及应力过大所致的失效问题；
3、陶瓷管壳与陶瓷盖板相接触位置密封固定的同时，还能一次性形成处于真空状态的封装腔体，从而提高生产效率。
综上，本发明碳化硅芯片的耐高温封装结构，可以实现在250℃以上高温的长期可靠服役，使得碳化硅芯片的耐高温特性得到充分发挥。
在本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述碳化硅芯片的耐高温封装结构的方法。根据本发明的一个实施例，参考图5和图6，该方法包括：
S100：将基板置于底座上表面，采用耐高温互连工艺实现基板与底座之间互连
该步骤中，将基板置于底座上表面，采用耐高温互连工艺实现基板与底座之间互连。需要说明的是，耐高温互连工艺、基板和底座的具体类型同于上文描述，此处不再赘述。
S200：将碳化硅芯片置于基板的第一金属层之上，采用耐高温互连工艺实现碳化硅芯片的背面电极与第一金属层之间互连，基于引线键合工艺，将碳化硅芯片的正面电极与基板上第二金属层连接在一起，同时对键合线的至少一端形成的键合点进行辅助加固
该步骤中，参考图6，将碳化硅芯片置于基板的第一金属层之上，采用耐高温互连工艺实现碳化硅芯片的背面电极和第一金属层之间互连，然后基于引线键合工艺，将碳化硅芯片的正面电极与基板上的第二金属层连接在一起，同时对上述键合线与上述碳化硅芯片正面电极形成的键合点进行辅助加固和/或对上述键合线与上述第二金属层形成的键合点进行辅助加固，从而可以增强键合点对外部机械载荷的抵抗能力，并解决当前高温封装中键合点因电流密度以及应力过大导致的失效问题，有利于封装结构在250℃以上高温的长期可靠服役。具体的，上述键合点通过超声焊或热压焊方式形成。
需要说明的是，第一金属层、第二金属层、键合线、第一电极端子、第二电极端子以及辅助加固的具体类型同于上文描述，此处不再赘述。
进一步地，在上述键合线上沉积金属可焊层，例如金属可焊层包括银可焊层、金可焊层或镍可焊层，并且本领域技术人员可以根据实际需要，对沉积在上述键合线上的金属可焊层的厚度进行选择。
S300：采用耐高温互连工艺，将第一电极端子密封固定并延伸出陶瓷管壳或陶瓷盖板，将第二电极端子密封固定并延伸出陶瓷管壳或陶瓷盖板
该步骤中，采用耐高温互连工艺，将第一电极端子密封固定并延伸出陶瓷管壳或陶瓷盖板，将第二电极端子密封固定并延伸出陶瓷管壳或陶瓷盖板。需说明的是，陶瓷管壳和陶瓷盖板的具体类型同于上文描述，此处不再赘述。
S400：采用耐高温互连工艺将底座形成在陶瓷管壳的下端以封闭陶瓷管壳的下端敞口，并且采用耐高温互连工艺，将密封固定于陶瓷管壳的第一电极端子与基板的第一金属层相连，将密封固定于陶瓷管壳的第二电极端子与基板的第二金属层相连
该步骤中，采用耐高温互连工艺将底座形成在陶瓷管壳的下端，以封闭陶瓷管壳的下端敞口，并且采用耐高温互连工艺，将所述密封固定于陶瓷管壳的第一电极端子与所述基板的第一金属层相连，将所述密封固定于陶瓷管壳的第二电极端子与所述基板的第二金属层相连。
进一步地，采用耐高温互连工艺将上述底座形成在上述陶瓷管壳的下端之前，预先对上述底座和陶瓷管壳的相应位置进行金属可焊化处理。需要说明的是，“金属可焊化处理”为本领域常规操作，此处不再赘述。
S500：在真空环境下，采用耐高温互连工艺实现陶瓷盖板与陶瓷管壳上端敞口的密封固定，并且采用耐高温互连工艺，将密封固定于陶瓷盖板的第一电极端子与基板的第一金属层相连，将密封固定于陶瓷盖板的第二电极端子与基板的第二金属层相连，陶瓷盖板、陶瓷管壳和底座共同密封限定出真空腔体
该步骤中，真空环境下，采用耐高温互连工艺实现陶瓷盖板与陶瓷管壳上端敞口的密封固定，并且采用耐高温互连工艺，将所述密封固定于陶瓷盖板的第一电极端子与所述基板的第一金属层相连，将所述密封固定于陶瓷盖板的第二电极端子与所述基板的第二金属层相连，所述陶瓷盖板、所述陶瓷管壳和所述底座共同密封限定出真空腔体，得到上述碳化硅芯片的耐高温封装结构。
进一步地，在采用耐高温互连工艺将上述陶瓷盖板形成在上述陶瓷管壳的上端之前，预先对上述陶瓷盖板和上述陶瓷管壳的相应位置进行金属可焊化处理。需要说明的是，“金属可焊化处理”为本领域常规操作，此处不再赘述。针对应用于陶瓷管壳或陶瓷盖板的耐高温互连工艺，若耐高温互连工艺为纳米金属颗粒烧结、高温钎料钎焊连接或热压焊接，则在进行互连之前，陶瓷管壳或陶瓷盖板的相应位置需进行金属可焊化处理。针对陶瓷管壳与陶瓷盖板之间的耐高温互连工艺，若耐高温互连工艺为纳米金属颗粒烧结、高温钎料钎焊连接或热压焊接，则在进行互连之前，陶瓷管壳及陶瓷盖板的相应位置均需进行金属可焊化处理。
需要说明的是，上述针对碳化硅芯片的耐高温封装结构所描述的特征和优点同样适用于该制备碳化硅芯片的耐高温封装结构的方法，此处不再赘述。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
对比例
制备碳化硅芯片的耐高温封装结构的方法包括：
(1)氮化铝陶瓷基板的上表面上具有间隔布置的第一金属层(铜层)和第二金属层(铜层)，采用Pb90Sn10焊料钎焊连接工艺将碳化硅芯片的背面电极形成在第一金属层上，并且碳化硅芯片的正面电极与第二金属层通过金材质键合线相连；
(2)采用硅酮凝胶作为填充材料，该填充材料包覆第一金属层、第二金属层、碳化硅芯片、键合线以及基板的上表面。
实施例
制备碳化硅芯片的耐高温封装结构的方法包括：
(1)采用纳米银颗粒烧结工艺将氮化铝陶瓷基板形成在铝碳化硅底座的中央；
(2)氮化铝陶瓷基板远离底座的一侧具有间隔布置的第一金属层(铜层)和第二金属层(铜层)，采用纳米银颗粒烧结工艺将碳化硅芯片的背面电极形成在第一金属层上，并且碳化硅芯片的正面电极与第二金属层通过金材质键合线相连。在键合线与碳化硅芯片正面电极形成的键合点以及键合线与第二金属层形成的键合点部位涂敷纳米银颗粒焊膏，而后通过烧结纳米焊膏实现键合点的辅助加固；
(3)采用纳米银颗粒烧结工艺将铝碳化硅底座形成在氮化硅陶瓷管壳的下端以封闭陶瓷管壳的下端敞口；
(4)采用纳米银颗粒烧结工艺在真空环境下将氮化硅陶瓷盖板形成在氮化硅陶瓷管壳的上端以封闭陶瓷管壳的上端敞口，并且陶瓷盖板、陶瓷管壳和底座共同密封限定出真空腔体，真空腔体40内的气压小于3×10-3Pa，得到碳化硅芯片的耐高温封装结构。
表1实施例和对比例两种封装结构仿真时设置的部分边界条件及几何模型特征
Figure BDA0003564348530000111
利用多物理场仿真软件COMSOL进行电-热-力耦合场仿真。针对对比例和实施例两种封装结构进行耦合场仿真分析时，所设置的部分边界条件及几何模型特征，如表1所示。图7为对比例得到的高温封装结构中碳化硅芯片附近的应力分布云图，图8为对比例得到的高温封装结构中碳化硅芯片附近的电流密度分布云图。由图7和图8可知，高温服役情况下，对比例得到的高温封装结构的键合点分别具有较大应力及电流密度，不利于封装结构可靠性。图9为实施例得到的高温封装结构中碳化硅芯片附近的应力分布云图。图10为实施例得到的高温封装结构中碳化硅芯片附近的电流密度分布云图。图11为对比例和实施例两种高温封装结构键合点平均应力及平均电流密度。由图9～11可知，相比于对比例的常规高温封装结构的键合点，实施例得到的封装结构中键合点在高温服役时，其平均应力及平均电流密度均显著下降。其中，键合点平均应力下降34％，键合点平均电流密度下降64％。电-热-力耦合场仿真结果表明，本发明基于键合点辅助加固结构，能够使键合点平均应力及电流密度显著下降。因此，本发明实现的键合点辅助加固，可解决高温封装中键合点因应力及电流密度大所致的失效问题，有效改善封装结构的高温服役可靠性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种碳化硅芯片的耐高温封装结构，其特征在于，包括：
陶瓷管壳，所述陶瓷管壳上下敞口；
陶瓷盖板，所述陶瓷盖板盖设在所述陶瓷管壳的上端以封闭所述陶瓷管壳的上端敞口；
芯片模块，所述芯片模块包括：
底座，所述底座盖设在所述陶瓷管壳的下端以封闭所述陶瓷管壳的下端敞口，并且所述陶瓷盖板、所述陶瓷管壳和所述底座共同密封限定出真空腔体；
基板，所述基板设在所述底座上且位于所述真空腔体内，并且所述基板上远离所述底座的一侧表面设有第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层间隔布置；
碳化硅芯片和键合线，所述碳化硅芯片设在所述第一金属层上，所述碳化硅芯片的正面电极与所述第二金属层通过所述键合线相连，并且所述键合线的至少一端的键合点设有辅助加固结构；
第一电极端子和第二电极端子，所述第一电极端子的一端与所述第一金属层相连，所述第一电极端子密封固定并延伸出所述陶瓷管壳或所述陶瓷盖板，所述第二电极端子的一端与所述第二金属层相连，所述第二电极端子密封固定并延伸出所述陶瓷管壳或所述陶瓷盖板。
2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述陶瓷管壳和所述陶瓷盖板的材料分别独立地包括氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。
3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述第一金属层和所述第二金属层的材料分别独立地包括铜、铝、钨铜合金或钼铜合金。
4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述真空腔体的内部气压小于3×10- 3Pa。
5.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述键合点处的辅助加固结构包括在所述键合点位置进行纳米金属颗粒烧结或高温钎料钎焊连接时形成的结构。
6.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述基板的材料包括氮化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。
7.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述底座的材料包括铝碳化硅复合材料或铝金刚石复合材料；
任选地，所述底座上设有金属可焊层，所述金属可焊层包括银可焊层、金可焊层或镍可焊层；
任选地，所述键合线上沉积金属可焊层，所述沉积的金属可焊层包括银可焊层、金可焊层或镍可焊层。
8.一种制备权利要求1-7中任一项所述的碳化硅芯片的耐高温封装结构的方法，其特征在于，包括：
(1)将基板置于底座上表面，采用耐高温互连工艺实现所述基板与所述底座之间互连；
(2)将碳化硅芯片置于所述基板的第一金属层之上，采用耐高温互连工艺实现所述碳化硅芯片的背面电极与所述第一金属层之间互连，基于引线键合工艺，将所述碳化硅芯片的正面电极与所述基板上第二金属层连接在一起，同时对所述键合线的至少一端形成的键合点进行辅助加固；
(3)采用耐高温互连工艺，将所述第一电极端子密封固定并延伸出所述陶瓷管壳或陶瓷盖板，将所述第二电极端子密封固定并延伸出所述陶瓷管壳或陶瓷盖板；
(4)采用耐高温互连工艺将所述底座形成在陶瓷管壳的下端以封闭所述陶瓷管壳的下端敞口，并且采用耐高温互连工艺，将所述密封固定于陶瓷管壳的第一电极端子与所述基板的第一金属层相连，将所述密封固定于陶瓷管壳的第二电极端子与所述基板的第二金属层相连；
(5)在真空环境下，采用耐高温互连工艺实现所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳上端敞口的密封固定，同时采用耐高温互连工艺，将所述密封固定于陶瓷盖板的第一电极端子与所述基板的第一金属层相连，将所述密封固定于陶瓷盖板的第二电极端子与所述基板的第二金属层相连，所述陶瓷盖板、所述陶瓷管壳和所述底座共同密封限定出真空腔体，以便得到碳化硅芯片的耐高温封装结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述耐高温互连工艺包括纳米金属颗粒烧结、高温钎料钎焊连接、冷压焊接、热压焊接或基于高温胶体的胶接。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在采用所述耐高温互连工艺将所述底座形成在所述陶瓷管壳的下端之前，预先对所述底座和所述陶瓷管壳的相应位置进行金属可焊化处理；
采用耐高温互连工艺实现所述陶瓷盖板与所述陶瓷管壳上端敞口的密封固定之前，预先对所述陶瓷盖板和所述陶瓷管壳的相应位置进行金属可焊化处理。
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