CN115662988A - 一种高功率集成微电路模块的封装外壳及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种高功率集成微电路模块的封装外壳及其封装方法；包括陶瓷外壳，陶瓷外壳内包括控制芯片区和辅控芯片区，控制芯片区和辅控芯片区之间设置有台阶，辅控芯片区中设置有多个金属层和内电极，金属层和内电极与陶瓷外壳底部的外电极连接，每个金属层之间通过凸起或凹陷隔开，所述陶瓷外壳上还固接有封口环,封口环上通过盖板密封。本发明将大功率芯片、控制子系统芯片及外围辅控芯片及无源器件直接安装在同一基座之上，实现一个基本完整、独立的系统功能；将功率芯片烧结在以钨铜为材料的大热沉之上，热沉材料贯穿于陶瓷壳体之间，实现内外电连接，大大降低了零件的寄生阻抗，同时最大程度提升产品散热效率，增加产品功率密度。

Description

一种高功率集成微电路模块的封装外壳及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种高功率集成微电路模块的封装外壳及其封装方法。

背景技术

随着半导体技术的飞速发展，集成电路已进入后摩尔定律时代，现有的工艺手段和设备很难将集成电路带到一个新的高度，所以目前半导体技术已慢慢向SIP技术发展。如公开号为CN111599802A公开的一种陶瓷封装外壳，其电路板上设有上表面与陶瓷绝缘子上表面平齐的第一阶梯结构，第一阶梯结构设有用于与射频传输结构连接的键合结构，电路板上设有与焊盘结构焊接的电路板焊盘结构，但其并未将具有一定功率的发热芯片和辅助芯片进行物理隔离，功率芯片的很饥饿方式和普通芯片相同，使其功率芯片散热效果差，导致封装后产品的效果并不理想。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了高功率集成微电路模块的封装外壳及其封装方法，该产品具有高功率密度、高可靠性、转换效率高等特点。零件包括陶瓷壳体和金属组件，陶瓷壳体与金属组件通过精确的计算和设计，使整个产品处于一种最优的状态。产品的主要功率组件散热设计是直接将功率芯片烧结在以钨铜为材料的大热沉之上，热沉材料贯穿于陶瓷壳体之间，实现内外电连接，大大降低了零件的寄生阻抗，同时最大程度提升产品散热效率，增加产品功率密度。同时，在零件的局部区域(关键寄生参数区)使用TU1材料，贯穿于陶瓷腔体和外部，实现贯穿式连接，以降低产品的寄生阻抗和感抗，从而提升产品可靠性。该陶瓷零件的设计是混合集成电路高功率集成化、小型化陶瓷封装类零件的典型代表，可满足电子元器件在科研及生产上对该外形封装产品的高可靠性、高集成度要求和技术要求。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种高功率集成微电路模块的封装外壳及其封装方法；包括陶瓷外壳，陶瓷外壳内包括控制芯片区和辅控芯片区，控制芯片区和辅控芯片区之间设置有台阶，辅控芯片区中设置有多个金属层和内电极，金属层和内电极与陶瓷外壳底部的外电极连接，每个金属层之间通过凸起或凹陷隔开，所述陶瓷外壳上还固接有封口环, 封口环上通过盖板密封。

所述控制芯片包括热沉，热沉加工在陶瓷外壳底部的通孔内，热沉的中部伸入陶瓷外壳内且加工为凸，陶瓷外壳的边缘固接在陶瓷外壳底部。

所述陶瓷外壳底部还加工有连接夹层作为金属层之间的连接部件。

所述外电极和金属层及内电极之间通过贯穿电极连接。

所述金属层由多层金属构成，表层是纯金，第二层是金属镍或镍钴或者镍磷，第三层材料是金属钨或钼锰，表层和第二层材料均采用电镀的方式进行镀覆，第三层是材料先将金属浆料印刷在陶瓷上，然后在进行固化。

所述外电极由多层金属成，表层是纯金，第二层是金属镍或镍钴或者镍磷，表层和第二层均采用电镀的方式进行镀覆。

一种高功率集成微电路模块的封装方法，其步骤为：

(1)将外壳进行清洗；

(2)将模具进行湿法清洗，使用真空或氮气烘烤；

(3)准备待封装的功率芯片、子系统控制芯片及外围辅控芯片，无源器件，并选取焊接材料为高温焊片，中温焊膏，纳米银膏焊料；

(4)在外壳中依次固定大体积芯片、小体积芯片、无源器件；

(5)将烧结后的模块，置于键合机上通过互连材料进行各个上层芯片与外壳内表面电极及图形成进行引线键合，得到电性能互连的模块；

(6)将模块放入平行缝焊设备，在外壳安装盖板，进行封口环与盖板封接，完成高功率集成微电路模块的模组封装。

所述清洗步骤为：

①先将外壳进行湿法清洗，在真空或氮气环境下烘烤；

②再将外壳进行等离子清洗，清洗气体为Ar氩等离子。

大芯片固定步骤为：

①在每个焊接区线安装焊片；

②再将芯片按照位置要求放置在每个焊接区的焊片之上；

③再在芯片上放置石英压块；然后将模具整体放置在真空烧结炉中进行高温烧结；

小芯片固定步骤为：

将纳米银膏焊料点在芯片安装位置；

②将芯片压紧在焊料之上；

③最后放入烘箱中进行固化，固化温度不超过250℃；

无源器件的固定步骤为：

①将中温焊膏点在无源器件安装位置；

②将无源器件按照位置要求安装在焊料之上；

③在无源器件之上放置压块；

④将组装完成的模具整体放置在真空烧结炉中进行烧结。

所述高温烧结过程为：

①以设定的升温速度V1升温至预设的温度T1保温t1时间后；抽真空，抽真空t1时间后再次充入氮气；

②设定升温速度V2升温至预设温度T2，保温T3时间后；再次抽真空，抽真空t4时间后；

③设定升温速度V3升温至预设温度T3，保温T5时间后；

④开始降温，设定降温速度V4，当温度降至熔点以下后开始充入氮气，最后随炉冷却，完成器件烧结；

升温速度关系，V1＞V2＞V3＞V4。

本发明的有益效果在于：将大功率芯片、控制子系统芯片及外围辅控芯片及无源器件直接安装在同一基座之上，实现一个基本完整、独立的系统功能；

将原先需要在PCB板级封装实现的系统功能进行了SIP集成技术封装，让功能系统具有更高的性能及更高的功率密度、更多的功能以及更小的体积；

将功率芯片烧结在以钨铜为材料的大热沉之上，热沉材料贯穿于陶瓷壳体之间，实现内外电连接，大大降低了零件的寄生阻抗，同时最大程度提升产品散热效率，增加产品功率密度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的图1A-A向截面结构示意图；

图3是本发明的外电极结构示意图；

图4是本发明的芯片封装结构示意图；

图中：1-封口环，2-陶瓷外壳，3-热沉，4-贯穿电极，5-内电极， 6-B1外电极，7-C1外电极，8-F1外电极，9-E内电极，10-H内电极， 11-D内电极，12-B内电极，13-B2内电极，14-连接夹层，15-凸起， 16-F金属层，17-C金属层，18-G金属层，19-B3金属层，20-G1金属层，21-H1金属层，22-A1外电极，23-E1外电极，24-D1外电极，25-连接片，26-B3内电极。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1～3所示，本发明采用的外壳外形为 21.0mm×12.0mm×5.2mm，内部封闭空腔尺寸为17.8mm×9.0mm，内腔高度为4.0mm，内腔高度为2.95mm。

主要包括：

(1)功率承载基座A区域,将B、B2、H、D、E区作为控制子系统和外围辅控芯片及无源器件基座区域，外引出电极区域；

(2)A区底部有功率芯片热沉3，B、B2、H、D、E区设置有贯穿电极4；控制子系统和外围辅控芯片及无源器件基座区域内还加工有表面金属化层B3、C、F、H1、G、G1,陶瓷内部电链接夹层14，外部电极C1、D1、E1、F1；

陶瓷外壳2中热沉3和贯穿电极为2个贯穿式通孔电极，电极采用金属块直接嵌入通孔中，热沉3为直接芯片热沉，形成的贯穿电极为贯穿式沉铜电极；其底部外表面设置有引出外电极A1、B1、C1、 D1、E1、F1，电极A1为热沉3的直接引出端，外电极B1、C1、D1、 E1、F1为先在外边刷金属钨或钼锰，然后在金属钨或钼锰上焊接金属块。

陶瓷外壳2中B、B2、H、D、E处为内表面金属电极，电极的处理方式为先在外边刷金属钨或钼锰，然后在金属钨或钼锰上焊接金属块。

陶瓷外壳2中B3、C、F、H1、G、G1为内表面金属化层，作为焊接区和键合区，金属化区均由多层金属材料构成，表层材料是纯金，第二层材料是金属镍、镍钴或者镍磷，第三层材料是金属钨或钼锰，表层和第二层材料均采用电镀的方式进行镀覆，第三层是材料先将金属浆料印刷在陶瓷上，然后在进行固化。

封装外壳的外部引出电极A1、B1、C1、D1、E1、F1，内表面电极B、B2、H、D、E的外表面处理方式为多层金属材料构成，表层材料是纯金，第二层材料是金属镍、镍钴或者镍磷，表层和第二层材料均采用电镀的方式进行镀覆。

封装外壳陶瓷外壳2，内表面电极B2的外表面金属为镍、镍钴或者镍磷，采用电镀的方式进行镀覆。

陶瓷内部电链接夹层14，内埋连接线，通过将内外面电极及金属化层上的层间通孔按照电路连接要求进行电气连接，实现电路互连关系。

陶瓷内部外部电极A1、B1、C1、D1、E1、F1主要用作外引出端子，供用户端焊接使用；内表面电极E、H、D、B2为控制芯片的焊接区，B2为功率芯片的键合区；内表面金属化B3、C、F、H1、G、 G1为外围辅控芯片和无源器件的焊接区和键合区。

陶瓷内部内表面电极中B与B2之间的凸起15的材料与内电极一致，表面金属处理与B2区域处一致。

陶瓷外壳2中B3、C、F、H1、G、G1为内表面金属化层中各层金属厚度范围为：表层材料金的厚度在1.3～5.7um，纯度≥99.9％，第二层材料金属镍、镍钴或者镍磷的厚度在1.3～8.9um，第三层材料金属钨或钼锰的厚度在在5～30um。

封装外壳的外部引出电极A1、B1、C1、D1、E1、F1，内表面电极B、B2、H、D、E的外表面处理方式为多层金属材料构成，其各金属层厚度范围为：表层材料金的厚度在1.3～5.7um，纯度≥ 99.9％，第二层材料金属镍、镍钴或者镍磷的厚度在1.3～8.9um。

封装外壳陶瓷外壳2，内表面电极B的外表面金属为镍、镍钴或者镍磷，采用电镀的方式进行镀覆，其金属层厚度范围为：表层材料金属镍厚度在1.3～8.9um。

封装外壳的各部分关键材料为边框/封口环(材料为4J42/4J29)；陶瓷外壳(95％以上Al2O3陶瓷(氧化铝)/AlN陶瓷(氮化铝))；热沉 (WCu/MoCu)；贯穿电极(TU1(无氧铜))；凸起(CPC/WCu)；外部电极(WCu/MoCu)；内表面电极B2、H、D、E(WCu/MoCu)；内表面电极B(WCu/MoCu)；

外电极、内表面电极、金属层的连接关系：A-A1、B-B1-B2-B3、 C-C1、D-D1、G-G1；G-G1、E-E1、F-F1、H-H1；外壳封口环与盖板通过平行缝焊连接

封装方法实施例：

本发明为一种高功率集成微电路模块的封装外壳结构及其封装方法，其本发明方法是基于本次发明的封装外壳的基础之上发明的一种方法。本发明了满足高功率集成微电路模块的高可靠陶瓷外壳及金属盖板为封装材料，首先在外壳基座内部通过芯片定位模具进行焊片及芯片高精度安装，通过阶梯温度对其进行芯片与封装外壳进行焊接，再通过复杂的键合技术将芯片与封装外壳实现互连，最后通过平行缝焊或储能焊或激光焊，实现金属盖板与封装外壳气密封封装。本发明方法的应用，实现了高功率集成微电路模块的多芯片封装，即运用MCM技术实现SIP封装。大大提高低损耗大功率控制器的功率密度以及应用范围和集成度，纳米银膏和平行缝焊多温度梯度焊接方式可以起到优良的散热以及高可靠气密性封装，拓宽了模块应用场景。

在电子封装领域，传统低损耗大功率控制模块为PCB板级封装结构，目前产品技术成熟，但随着新一代电源系统，航电系统，武控系统等的发展需要，特别是在航天、航空等国防军事领域，器件向小型化、轻量化、低功耗、高功率密度方向发展需求明确，单一器件封装虽小，但当功能系统进行组装时，还是会导致系统尺寸大、质量重，功率密度低，因此为了满足行业的应用需求，急需开发混合集成微电路模块产品。

本发明的高功率集成微电路模块的封装结构具有体积小、重量轻、集成度高、械强度高、化学性能稳定、电性能优良和可靠性高、空间适用性好等优点。可替代传统分板级分立器件封装，解决体积大、功率密度高等关键问题，大幅度节省空间、简化系统电路布局。此外通过双芯片叠层立体焊接，可在小体积腔体空间内集成双层多芯片，实现立体集成整流阵列器件封装，大幅提升器件生产效率，节约封装用外壳。

高功率集成微电路模块的封装方法，以低损耗大功率控制器的封装方案为例，具体步骤如下：

(1)将外壳进行清洗：①先将外壳进行湿法清洗，使用真空或氮气烘烤；②再将外壳进行等离子清洗，清洗气体为Ar氩等离子；

①先将外壳进行湿法清洗，使用真空或氮气烘烤：首先将封装外壳用丙酮浸泡10分钟，然后再用超声波低频清洗3分钟，再用常规水冲洗5分钟，再用离子水冲洗10分钟，最后用酒精进行脱水处理。完成用60℃的氮气烘箱进行烘烤。

②使用前再将外壳进行氩等离子清洗；具体方案如下：氩等离子清洗采用功率优选设定为100W，氩流量为≯50SCCM,清洗时间优选设定为180s，每次清洗后需在24小时内用完。

(2)将模具进行进行湿法清洗，使用真空或氮气烘烤，方法与 (1)-①一致，如使用酒精脱水则不能用真空烘烤；

(3)准备待封装的功率芯片、子系统控制芯片及外围辅控芯片，无源器件，并选取焊接材料：高温焊片，中温焊膏，纳米银膏焊料，使用前需将焊片进行等离子清楚(方法与(1)-②一致)，中温焊膏与纳米银膏焊料需在室温缓释1小时，同时需要搅拌20分钟；

(4)在陶瓷外壳2中安装芯片定位模具，将大芯片按照图4所示进行安装，首先在每个焊接区线安装焊片，其次再将芯片按照位置要求放置在每个焊接区的焊片之上，然后再在芯片上放置石英压块，最后将组装完成的模具整体放置在真空烧结炉中进行高温烧结；

(5)在陶瓷外壳2中将小芯片按照图4所示进行安装，首先将纳米银膏焊料按照位置要求进行点膏，然后将芯片按照位置要求安装在焊料之上，过程中需要用力将小芯片往下按压，最后放入烘箱中进行固化(固化温度不超过250℃)；

(6)在外壳(2)中将无源器件按照图4所示进行安装，首先将中温焊膏按照位置要求进行点膏，其次将无源器件按照位置要求安装在焊料之上，然后在无源器件之上放置压块，最后将组装完成的模具整体放置在真空烧结炉中进行烧结；

(7)将步骤(4)的模块，放入真空烧结炉，在氮气条件下以设定的升温速度V1升温至预设的温度T1保温t1时间后；抽真空，抽真空 t1时间后再次充入氮气，设定升温速度V2升温至预设温度T2，保温 T3时间后；再次抽真空，抽真空t4时间后，设定升温速度V3升温至预设温度T3(最高温度)，保温T5时间后；开始降温，设定降温速度V4，当温度降至熔点以下后开始充入氮气，最后随炉冷却，完成器件烧结。(升温速度关系，V1＞V2＞V3＞V4)。

(8)将步骤(6)的模块，放入真空烧结炉进行烧结，重复步骤(7)，需控制最高温度T3(T3为焊料熔点温度大10℃)。

(9)将烧结后的模块，置于键合机上通过互连材料进行各个上层芯片与外壳内表面电极及图形成进行引线键合，得到电性能互连的模块；

(10)将完成步骤(9)电性能互连的器件，放入平行缝焊设备，在外壳安装盖板，进行外壳封口环与盖板封接，完成高功率集成微电路模块的模组封装。

(11)该模块所有芯片均为硅基芯片，背面金属化层可为Au、Ag，芯片尺寸最大为5mm×7mm，最小尺寸为0.3mm×0.3mm，芯片尺寸 0.8mm×0.8mm以下的不适应于焊片烧结，所以封装采用阶梯温度进行烧结。同时通过结构设计实现不少于2层错层封装，将芯片发热源于控制区分开。

(12)陶瓷外壳2的底层芯片与陶瓷外壳采用底层焊料连接，大芯片烧结所用焊料为AuSn或PbSnAg成分预成型固态焊料片，小芯片采用纳米银膏状焊料进行二次固化，无源器件所用焊料为SnAgCu 成分膏状焊料作为最后一次烧结焊料。

(13)陶瓷外壳2的底层大芯片与外壳基座连接采用的焊料，具体为：采用AuSn或PbSnAg固态焊片共晶焊接温度范围为320℃～ 350℃，焊接时间为30s～150s，焊接氛围为真空；小小芯片采用纳米银膏状焊料进行二次固化，固化温度为阶梯，T1温度预固化时间为30Min～50Min,T2温度预固化时间为90Min～120Min,T1＜T2＜ 250℃。

(14)通过芯片定位模具装置进行焊片与芯片定位，芯片、焊片、焊料纳米银的安装采用粘片机进行，大芯片装片要求为：在陶瓷外壳中安装芯片定位装置、再安装底层焊料、在底层焊料上安装底层芯片、在底层芯片上配重压块。

(15)陶瓷外壳2与盖板通过平行缝焊连接外壳材料为陶瓷外壳，盖板为金属盖板(成分为4J42或4J29)，外壳与盖板封接为气密性封接，封接后内部水汽含量≤5000ppm，封接后漏率≤1×10-1Pa·cm3/s。

(16)功率芯片与陶瓷外壳采用金属线连接，金属线材料为硅铝丝，丝径≥380μm，数量为3颗。子系统控制芯片及外围辅控芯片与陶瓷外壳2采用金属线连接，金属线材料为金丝或者硅铝丝，金丝径≤38μm，硅铝丝丝径≤75μm，数量均为1颗。

Claims (10)

1.一种高功率集成微电路模块的封装外壳，其特征在于：包括陶瓷外壳(2)，陶瓷外壳(2)内包括控制芯片区和辅控芯片区，控制芯片区和辅控芯片区之间设置有台阶，辅控芯片区中设置有多个金属层和内电极，金属层和内电极与陶瓷外壳(2)底部的外电极连接，每个金属层之间通过凸起或凹陷隔开，所述陶瓷外壳(2)上还固接有封口环(1),封口环(1)上通过盖板密封。

2.如权利要求1所述的高功率集成微电路模块的封装外壳，其特征在于：所述控制芯片包括热沉(3)，热沉(3)加工在陶瓷外壳(2)底部的通孔内，热沉(3)的中部伸入陶瓷外壳(2)内且加工为凸，陶瓷外壳(2)的边缘固接在陶瓷外壳(2)底部。

3.如权利要求1所述的高功率集成微电路模块的封装外壳，其特征在于：所述陶瓷外壳(2)底部还加工有连接夹层(14)作为金属层之间的连接部件。

4.如权利要求1所述的高功率集成微电路模块的封装外壳，其特征在于：所述外电极和金属层及内电极之间通过贯穿电极(4)连接。

5.如权利要求1所述的高功率集成微电路模块的封装外壳，其特征在于：所述金属层由多层金属构成，表层是纯金，第二层是金属镍或镍钴或者镍磷，第三层材料是金属钨或钼锰，表层和第二层材料均采用电镀的方式进行镀覆，第三层是材料先将金属浆料印刷在陶瓷上，然后在进行固化。

6.如权利要求1所述的高功率集成微电路模块的封装外壳，其特征在于：所述外电极由多层金属成，表层是纯金，第二层是金属镍或镍钴或者镍磷，表层和第二层均采用电镀的方式进行镀覆。

7.一种高功率集成微电路模块的封装方法，其步骤为：

(1)将外壳进行清洗；

(2)将模具进行湿法清洗，使用真空或氮气烘烤；

(3)准备待封装的功率芯片、子系统控制芯片及外围辅控芯片，无源器件，并选取焊接材料为高温焊片，中温焊膏，纳米银膏焊料；

(4)在外壳中依次固定大体积芯片、小体积芯片、无源器件；

(5)将烧结后的模块，置于键合机上通过互连材料进行各个上层芯片与外壳内表面电极及图形成进行引线键合，得到电性能互连的模块；

(6)将模块放入平行缝焊设备，在外壳安装盖板，进行封口环与盖板封接，完成高功率集成微电路模块的模组封装。

8.如权利要求7所述的高功率集成微电路模块的封装方法，其特征在于：所述清洗步骤为：

①先将外壳进行湿法清洗，在真空或氮气环境下烘烤；

②再将外壳进行等离子清洗，清洗气体为Ar氩等离子。

9.如权利要求7所述的高功率集成微电路模块的封装方法，其特征在于：

大芯片固定步骤为：

①在每个焊接区线安装焊片；

②再将芯片按照位置要求放置在每个焊接区的焊片之上；

③再在芯片上放置石英压块；然后将模具整体放置在真空烧结炉中进行高温烧结；

小芯片固定步骤为：

②将纳米银膏焊料点在芯片安装位置；

②将芯片压紧在焊料之上；

③最后放入烘箱中进行固化，固化温度不超过250℃；

无源器件的固定步骤为：

①将中温焊膏点在无源器件安装位置；

②将无源器件按照位置要求安装在焊料之上；

③在无源器件之上放置压块；

④将组装完成的模具整体放置在真空烧结炉中进行烧结。

10.如权利要求9所述的高功率集成微电路模块的封装方法，其特征在于：所述高温烧结过程为：

①以设定的升温速度V1升温至预设的温度T1保温t1时间后；抽真空，抽真空t1时间后再次充入氮气；

②设定升温速度V2升温至预设温度T2，保温T3时间后；再次抽真空，抽真空t4时间后；

③设定升温速度V3升温至预设温度T3，保温T5时间后；

④开始降温，设定降温速度V4，当温度降至熔点以下后开始充入氮气，最后随炉冷却，完成器件烧结；

升温速度关系，V1＞V2＞V3＞V4。

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