CN116110800A - 一种功率器件的封装方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种功率器件的封装方法，包括：S1，对所述功率器件的铜基板进行表面处理；S2，将包含有硅烷偶联剂的混合溶液施加在所述表面处理后的所述铜基板上的表面；S3，将S2步骤得到的所述铜基板置于烤箱烘烤；待烘烤完成后，进行传递模塑，将所述铜基板表面用环氧模塑料进行包裹。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种功率器件的封装方法。
背景技术
碳化硅SiC(silicon carbide)功率器件因其卓越的材料优势，近年来得到迅速发展并广泛应用在高效电能转换领域。在使用过程中的高压、高频、高温和高功率等特性，使它在实际使用过程中的可靠性受到严重考验。因此，如何使其具有更高的可靠性成为行业发展的主要问题之一。特别地，环氧模塑料(epoxy molding compound)和铜基板的粘接问题直接影响器件的绝缘及可靠性特性。
现有的提高环氧模塑料和铜基板的粘接力的方法主要是靠等离子体处理，来增强铜表面能和对环氧模塑料的润湿性，进而达到增强环氧模塑料和铜基板结合力的目的。这个方法产生的结合力是范德华力或氢键结合，具有较低的结合力，在通过回流焊、烧结过程中，由于所处环境温度大于环氧模塑料的玻璃态转换温度，此时环氧模塑料的热膨胀系数远大于铜基板，产生强的热应力，较低的结合力不足以对抗强的热应力，从而导致发生分层。或其在温度冲击循环实验过程中或功率循环实验过程中受到外界迅速变化的温度产生的较强的热应力时，自身较低的结合力不足以对抗强的热应力，导致分层。分层导致器件热膨胀系数不匹配度加剧，影响器件在使用过程中的稳定性。且有源区产生的分层导致水汽、离子等污染物有机会进入器件内部，在高压情况下容易发生漏电，直接影响器件功能。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本申请中，本发明人通过研究发现，通过涂覆一层硅烷偶联剂可以使所述硅烷偶联剂与环氧模塑料或铜基板分别以化学键连接，增强结合力，进而在回流焊及后续可靠性测试中减少环氧模塑料和铜基板之间的分层现象或不产生分层，提高了功率器件的可靠性。
本申请的第一方面提供了一种功率器件的封装方法，包括：
S1，对所述功率器件的铜基板进行表面处理；
S2，将包含有硅烷偶联剂的混合溶液施加在所述表面处理后的所述铜基板上的表面；
S3，将S2步骤得到的所述铜基板置于烤箱烘烤；待烘烤完成后，进行传递模塑，将所述铜基板表面用环氧模塑料进行包裹。
在一些实施方式中，在所述表面处理前，可以使用包括芯片焊接、引线键合和框架焊接步骤中的至少一个来对所述功率器件的所述铜基板进行处理；在另一些实施方式中，在所述表面处理前，也可以使用其他步骤代替上述芯片焊接、引线键合和框架焊接步骤对所述铜基板进行处理。
在本申请的一些优选实施方式中，所述硅烷偶联剂包括以下官能团中的至少一种：甲氧基、乙氧基、氯基或羟基。
在本申请的一些优选实施方式中，所述硅烷偶联剂还包括以下官能团中的至少一种：胺基、环氧基、二胺基、巯基、异氰酸酯基、二硫基或乙烯基。
在本申请的一些优选实施方式中，所述硅烷偶联剂选自以下化合物中的至少一种：2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷、3-[(2,3)-环氧丙氧]丙基甲基二甲氧基硅烷、(3-缩水甘油丙氧基)三甲氧基硅烷、二乙氧基甲基[(3-环氧乙烷基甲氧)丙基]硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷、3-(1,3-二甲基亚丁基)氨基丙基三乙氧基硅烷、3-三乙氧基甲硅烷基-n-(1,3二甲基亚丁基)丙胺、n-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷、(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷、(3-巯基丙基)甲基二甲氧基硅烷、异氰酸丙基三乙氧基硅烷和三(3-三甲氧基硅丙基)异氰脲酸酯。
在本申请的一些优选实施方式中，所述有机溶剂选自烷烃、脂肪烃、芳香烃、醇、胺、酯、醚、酮、硝化烃和氯化烃中的至少一种。
在本申请的一些优选实施方式中，以混合溶液100重量份计，所述混合溶液中包含：
所述硅烷偶联剂：大于0重量份且小于等于50重量份；
有机溶剂：大于等于80重量份且小于等于100重量份；以及
水：大于等于0重量份且小于等于20重量份。
在本申请的一些优选实施方式中，所述S1中的表面处理包括以下处理中的至少一种：
1)对所述铜基板进行行表面激光处理增大比表面积；
2)对所述铜基板进行等离子体表面处理增大表面活性；
3)将所述铜基板与酸反应除掉所述铜基板的表面氧化层并增大比表面积，或
4)通过打磨所述铜基板的表面以增大比表面积。
在本申请的一些优选实施方式中，所述S2中，将包含有硅烷偶联剂的混合溶液施加在所述表面处理后的铜基板上的表面包括：
将所述表面处理后的铜基板浸泡到所述混合溶液；或者
将所述混合溶液涂覆到所述表面处理后的铜基板的表面。在一个优选的实施方式中，在将所述表面处理后的铜基板浸泡到所述S1中所述混合溶液后，用溶剂对所述浸泡后的铜基板的表面进行冲洗。
在本申请的一些优选实施方式中，所述铜基板选自铜单质基板、铜合金基板或覆铜板。
在本申请的一些优选实施方式中，将所述S2中所述混合溶液涂覆到所述表面处理后的铜基板的表面中的涂覆为喷涂、旋涂或涂刷。
在本申请的一些优选实施方式中，当选择将所述表面处理后的铜基板浸泡到所述混合溶液时，浸泡时间为1分钟-3小时，在浸泡过程中硅烷偶联剂与铜基板表面形成稳定化学键，因此在浸泡结束后，使用溶剂对浸泡后的所述铜基板进行冲洗，除去表面多余的混合溶剂即可。
当选择将所述混合溶液涂覆到所述表面处理后的铜基板的表面，完成涂覆后，需要将所述铜基板进行静置处理1-5分钟，在静置过程中，硅烷偶联剂与铜基板表面形成稳定化学键，同时溶剂在静置过程中逐步挥发。
附图说明
图1是本申请的功率器件的封装方法的流程示意图。
图2是本申请的功率器件的封装方法中硅烷偶联剂与铜基板以及环氧模塑料均形成化学键的反应机理示意图。
图3是对比例1的功率器件的封装示意图。
图4是本申请的实施例1的功率器件的封装示意图。
图5是本申请的实施例1中的功率器件的超声扫描显微镜图。
图6是本申请的对比例1中的功率器件的超声扫描显微镜图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在此所描述的有关实施例为说明性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。
为了简明，本文仅具体地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，每个单独公开的点或单个数值自身可以作为下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
除非另有说明，本申请中使用的术语具有本领域技术人员通常所理解的公知含义。除非另有说明，本申请中提到的各参数的数值可以用本领域常用的各种测量方法进行测量(例如，可以按照在本申请的实施例中给出的方法进行测试)。
术语“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当5结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别10数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
术语“中的至少一者”、“中的至少一个”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个组分或多个组分。项目B可包含单个组分或多个组分。项目C可包含单个组分或多个组分。
以下结合图1-4来说明本申请的方案。
参照图1，本申请的功率器件的封装方法包括以下步骤：
1)将硅烷偶联剂、有机溶剂和水按混合得到混合溶液；
2)对所述功率器件的铜基板进行表面激光处理增大比表面积；
3)将步骤1)中所述混合溶液喷涂在所述进行了表面激光处理后的所述铜基板上的表面；并待所述铜基板的表面上的所述混合溶液挥发后，将所述铜基板置于烤箱烘烤；
4)待烘烤完成后，进行传递模塑(transfer molding)，用环氧模塑料包裹住所述铜基板。
在本实施方式中，所述硅烷偶联剂为(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷和(3-缩水甘油丙氧基)三甲氧基硅烷的混合物，分子式分别为：
在本实施方式中，所述有机溶剂为甲醇和乙醇的混合物，混合比例为甲醇47重量份、乙醇47重量份。
在本实施方式中，以混合溶液100重量份计，所述硅烷偶联剂3重量份，有机溶剂94重量份，水为3重量份。
通过涂覆一层具有特定官能团的硅烷偶联剂可以使所述硅烷偶联剂与环氧模塑料或铜基板分别以化学键连接，增强结合力，进而在回流焊及后续可靠性测试中减少分层现象或不产生分层，提高了功率器件的可靠性。
具体的反应机理如图2所示，硅烷偶联剂经过水解后形成羟基，由此，所述硅烷偶联剂与表面处理过的Cu上的羟基结合，形成氢键。铜上表面的羟基一部分是本身存在的，一部分是在激光处理过程中与空气中的氧气、水分子结合形成的。之后将形成氢键后的样品放入烘箱进行烘烤，以去除表面水分子，使硅烷偶联剂与铜表面形成Si-O-Cu的化学键，并且使硅烷偶联剂本身交联，形成Si-O-Si的化学键。
测试方法及评价标准：
环氧模塑料和铜基板的粘接力的测试方法：将一个材质为环氧模塑料的小圆柱体通过传递模塑(transfer molding)成型在铜基板表面，后用推力计去测量该小圆柱在铜基板表面的粘接力。
功率器件可靠性的评价方法：可靠性是由电性能决定的，一般是经过多次高低温度冲击实验后，进行静态动态等电学测试来判断。但是器件可靠性的决定性因素很多。本申请的提高可靠性内容是经过多达1000次的高低温度冲击实验后，分析环氧模塑料和铜基板表面的分层情况来判断，若多达1000次的高低温度冲击实验后，分层面积小或没有，则认为器件可靠。实验标准参照ECPE Guideline AQG324。
分层现象的判断方法：器件是否发生铜基板和环氧膜塑料之间的分层可通过超声扫描显微镜(Scanning Acoustic Microscope)检测。由于铜基板和环氧膜塑料之间的分层里多是空气，声阻抗为零，故超声波在环氧模塑料和空气界面发生全反射现象，且超声波的相位在界面反射时发生180°反转。使用超声扫描显微镜C模式时，观察到的图像的亮区且声波为负波的区域为分层区域。
实施例1
步骤一：将硅烷偶联剂、有机溶剂、水按比例混合，待混合均匀后再静置一段时间。在本实施例中，以混合溶液100重量份计，所述硅烷偶联剂3重量份，有机溶剂94重量份，水为3重量份。所述硅烷偶联剂为(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷和(3-缩水甘油丙氧基)三甲氧基硅烷的混合物；所述有机溶剂为甲醇和乙醇的混合物，混合比例为甲醇47重量份、乙醇47重量份。
步骤二：对功率器件的铜基板进行表面激光处理；在进行表面激光处理前，可先对所述功率器件的所述铜基板进行芯片焊接、引线键合和框架焊接步骤；
步骤三：将预处理后的所述铜基板浸泡到混合后的溶液中，浸泡时间10分钟；
步骤四：将完成浸泡的所述铜基板从溶液中取出，用甲醇50重量份、乙醇50重量份的溶剂冲洗干净；
步骤五：将所述铜基板置于烤箱烘烤。
步骤六：待烘烤完成后，进行传递模塑(transfer molding)，将所述铜基板表面用环氧模塑料进行包裹。
本实施例的功率器件的结构如图4所示。
实施例2
步骤一：将硅烷偶联剂、有机溶剂、水按比例混合，待混合均匀后再静置一段时间。在本实施例中，以混合溶液100重量份计，所述硅烷偶联剂3重量份，有机溶剂94重量份，水为3重量份。所述硅烷偶联剂为(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷和(3-缩水甘油丙氧基)三甲氧基硅烷的混合物；所述有机溶剂为甲醇和乙醇的混合物，混合比例为甲醇47重量份、乙醇47重量份。
步骤二：对功率器件的铜基板进行氧气/臭氧等离子体表面处理，在进行表面激光处理前，可先对所述功率器件的所述铜基板进行芯片焊接、引线键合和框架焊接步骤；
步骤三：将预处理后的所述铜基板放置在平面上，使用喷涂设备将混合溶液喷涂到所述铜基板表面；
步骤四：将所述喷涂了混合溶液的铜基板进行静置处理，静置时间2分钟，然后将静置后的所述铜基板置于烤箱烘烤。
步骤五：待烘烤完成后，进行传递模塑(transfer molding)，将所述铜基板表面用环氧模塑料进行包裹。
对比例1
步骤一：对功率器件的铜基板进行氩气/氮气等离子体表面处理，在进行表面激光处理前，可先对所述功率器件的所述铜基板进行芯片焊接、引线键合和框架焊接步骤；
步骤三：将预处理后的所述铜基板放置在平面上，进行传递模塑(transfermolding)，然后将所述铜基板表面用环氧模塑料进行包裹。
本对比例的功率器件的结构如图3所示。
测试例：
将实施例1-2和对比例1制备到的功率器件进行环氧模塑料和铜基板的粘接力测试和可靠性测试，并观察是否有分层现象，具体数据如表1所示。
表1
实施例1的粘接力，较对比例1的提升了128％。实施例2的粘接力较对比例1的提升了86％。可靠性由出现分层时所经历的温度冲击循环实验的次数表征。对比例1出现分层的时间是0次温度冲击循环实验时，实施例1出现分层的时间是大于1000次温度冲击循环实验，实施例2出现分层的时间是500-1000次温度冲击循环实验。另外，从图5(实施例1)可以看出，在超声扫描显微镜C模式下，没有观察到功率器件的图像有明显的亮区且声波为负波的区域，表示用实施例1的方法封装的功率器件无明显分层；而从图6(对比例1)可以看出，在超声扫描显微镜C模式下，可以观察功率器件的图像有明显的亮区且声波为负波的区域，表示用对比例1中的方法封装的功率器件有明显的分层。
可见使用了本申请的方法制备得到的功率器件在可靠性方面有显著提升。
尽管已经演示和描述了说明性实施例，本领域技术人员应该理解上述实施例不能被解释为对本申请的限制，并且可以在不脱离本申请的精神、原理及范围的情况下对实施例进行改变，替代和修改。
Claims (10)
1.一种功率器件的封装方法，包括：
S1，对所述功率器件的铜基板进行表面处理；
S2，将包含有硅烷偶联剂的混合溶液施加在所述表面处理后的所述铜基板上的表面；
S3，将S2步骤得到的所述铜基板置于烤箱烘烤；待烘烤完成后，进行传递模塑，将所述铜基板表面用环氧模塑料进行包裹。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述硅烷偶联剂包括以下官能团中的至少一种：羟基、甲氧基、乙氧基或氯基。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述硅烷偶联剂还包括以下官能团中的至少一种：环氧基、胺基、二胺基、巯基、异氰酸酯基、二硫基或乙烯基。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述硅烷偶联剂选自以下化合物中的至少一种：2-(3,4-环氧环己烷)乙基三甲氧基硅烷、3-[(2,3)-环氧丙氧]丙基甲基二甲氧基硅烷、(3-缩水甘油丙氧基)三甲氧基硅烷、二乙氧基甲基[(3-环氧乙烷基甲氧)丙基]硅烷、3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷、(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷、3-(1,3-二甲基亚丁基)氨基丙基三乙氧基硅烷、3-三乙氧基甲硅烷基-n-(1,3二甲基亚丁基)丙胺、n-苯基-3-氨基丙基三甲氧基硅烷、(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷、(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷、(3-巯基丙基)甲基二甲氧基硅烷、异氰酸丙基三乙氧基硅烷和三(3-三甲氧基硅丙基)异氰脲酸酯。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述有机溶剂选自烷烃、脂肪烃、芳香烃、醇、胺、酯、醚、酮、硝化烃和氯化烃中的至少一种。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，以混合溶液100重量份计，所述混合溶液中包含：
所述硅烷偶联剂：大于0重量份且小于等于50重量份；
有机溶剂：大于等于80重量份且小于等于100重量份；以及
水：大于等于0重量份且小于等于20重量份。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述S1中的表面处理包括以下处理中的至少一种：
1)对所述铜基板进行表面激光处理增大比表面积；
2)对所述铜基板进行等离子体表面处理增大表面活性；
3)将所述铜基板与酸反应除掉所述铜基板的表面氧化层并增大比表面积，或
4)通过打磨所述铜基板的表面以增大比表面积。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述S2中，将包含有硅烷偶联剂的混合溶液施加在所述表面处理后的铜基板上的表面包括：
将所述表面处理后的铜基板浸泡到所述混合溶液；或者
将所述混合溶液涂覆到所述表面处理后的铜基板的表面。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述铜基板选自铜单质基板、铜合金基板或覆铜板。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，将所述S2中所述混合溶液涂覆到所述表面处理后的铜基板的表面中的涂覆为喷涂、旋涂或涂刷。
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