CN118156228A - 基于液态金属的功率模块封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于液态金属的功率模块封装结构，包括上印刷电路板或上陶瓷金属基板、功率半导体芯片、下陶瓷金属基板，上印刷电路板的下表面铜层上通过焊层与功率半导体芯片相连接，所述下陶瓷金属基板上部铜层上通过刻蚀形成凹槽，下陶瓷金属基板上部铜层表面采用镀银处理，凹槽内部填充液态金属，且功率半导体芯片嵌入到凹槽内的液态金属中，以实现下陶瓷金属基板上表面与功率半导体芯片下表面以之间的电气连接；上印刷电路板上在功率半导体芯片的四周设有绝缘密封环以防止液态金属进入到功率半导体芯片和上印刷电路板之间造成短路；液态金属通过表面张力将下陶瓷金属基板与上印刷电路板吸附在一起。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于液态金属的功率模块封装结构。
背景技术
现有技术的功率电子封装结构普遍面临着由于材料热膨胀系数(CTE)不匹配导致的热机械应力问题。这一问题在应用于硅碳化物(SiC)功率模块的封装时尤为严重，特别是在高功率、高温度工作环境下，因为SiC材料与传统封装材料(如铜、铝、陶瓷等)在材料热膨胀系数上的差异较大，且碳化硅材料具有很高的杨氏模量。尤其在高温操作环境下，现有封装结构中的热机械应力显著增加。这种应力可导致封装界面的剥离或裂纹，降低了器件的可靠性和寿命。传统的解决方法包括使用软性材料作为缓冲层或者改变封装设计来适应热膨胀，但这些方法往往会影响封装的电气和热性能。
现有技术中的封装方法通常依赖于刚性焊接材料来连接芯片和基板，这些焊接材料在热循环的影响下容易发生疲劳和蠕变，从而减少了模块的可靠性和寿命。除此之外，刚性连接也可能导致芯片的机械损伤，尤其是在遇到机械冲击或者温度急剧变化的情况下，特别是对于较薄或大面积的芯片，这种风险更加明显。此外，由于硅碳化功率模块对封装的热性能要求很高，现有技术中的缓冲材料可能无法同时满足低热阻和高机械柔性的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种减轻热机械应力，提高器件可靠性的基于液态金属的功率模块封装结构。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于液态金属的功率模块封装结构，包括上印刷电路板或上陶瓷金属基板、功率半导体芯片、下陶瓷金属基板，上印刷电路板的下表面铜层上通过焊层与功率半导体芯片相连接，下陶瓷金属基板上部铜层上通过刻蚀形成凹槽，下陶瓷金属基板上部铜层表面采用镀银处理，凹槽内部填充液态金属，且功率半导体芯片嵌入到凹槽内的液态金属中，以实现下陶瓷金属基板上表面与功率半导体芯片下表面以之间的电气连接；
上印刷电路板上在功率半导体芯片的四周设有绝缘密封环以防止液态金属进入到功率半导体芯片和上印刷电路板之间造成短路；液态金属通过表面张力将下陶瓷金属基板与上印刷电路板吸附在一起；
上印刷电路板下表面的铜层的栅极和源极通过焊层和功率半导体芯片的栅极与源极相连接，功率半导体芯片下表面的漏极铜层通过液态金属与陶瓷金属基板的上表面铜层相连接；上印刷电路板下表面铜层通过过孔连接到柔性上表面的对应铜层，以实现上下表面之间铜层的电气连接；上印刷电路板上表面铜层作为该封装结构的功率端子。
作为一种优选的方案，所述绝缘密封环为环氧树脂或硅橡胶或聚酰胺或聚酰亚胺或树脂材质的绝缘密封环。
作为一种优选的方案，所述功率半导体芯片为碳化硅功率半导体芯片或氮化镓功率半导体芯片或硅功率半导体芯片或氧化镓功率半导体芯片或金刚石功率半导体芯片。
作为一种优选的方案，所述液态金属为镓铟银合金或镓铟锡合金。
作为一种优选的方案，所述下陶瓷金属基板为铜-陶瓷-铜的三层结构。
作为一种优选的方案，所述上印刷电路板为普通印刷电路板或柔性印刷电路板。
本发明的有益效果是：
1.大幅降低整体热机械应力：该技术通过液态金属实现封装内部的电气连接，利用液态金属的流体特性，解耦在工作时，芯片、PCB和陶瓷金属基板之间的热应变的差异，实现了整体封装结构热应力的大幅降低。
2.显著减少界面的剪切应力：将传统的刚性的界面连接方式(焊接/烧结)封装改为基于液态金属的柔性连接，从而显著降低了两种不同材料界面上，由于热膨胀系数不匹配引起的剪切应力，减少了上印刷电路板发生剥离的可能性。
3.提高模块可靠性：本技术通过采用液态金属代替刚性连接(如焊接和纳米银烧结)，消除了连接层的热机械应力。这种设计不仅维持了优异的热和电性能，而且还显著降低了硅碳化物功率模块的热应力，从而提高了模块的长期运行的可靠性。
4.保证了电气和热导性能：本结构中基于液态金属的封装结构可以提供与传统焊接相似的导电和导热性能，并且由于在芯片四周采用了绝缘密封保护层，也不会影响器件的耐压能力。
5.简化模块制作的工艺流程：液态金属的高热导率和电导率，在功率电子应用中，该技术提供了在室温下实现流体式互连的可能，同时避免了传统焊接或烧结过程中的高温和高压环境，对于半导体器件本身的影响较小。
6.成本低廉，便于维修以及材料的回收利用：基于液态金属的封装结构采用的液态金属成本显著低于烧结银膏，并且无需使用回流焊机或者烧结炉。同时，由于采用液态金属作为互联材料，封装结构各个部件之间可以实现无损分离，便于维修替换以及材料的回收利用。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的剖视结构示意图。
图3为基于焊锡的传统封装结构与实施例中基于液态金属封装的热机械应力比较。
图4为基于焊锡的传统封装结构与实施例中基于液态金属封装的体积热应变比较。
图5为基于焊锡的传统封装结构与实施例中基于液态金属封装顶部铜剪应力比较。
图6为基于焊锡的传统封装结构与实施例中基于液态金属封装的柔性PCB板底层铜层剪切应力比较。
图7为芯片上表面到环境热阻比较图。
图8为不同压力下传统焊锡封装与实施例中液态金属封装的输出特性比较(Vgs＝18V)。
图9为液态金属封装的漏电流测量结果(Vgs＝0V)。
图中：1上印刷电路板、2功率半导体芯片、3下陶瓷金属基板、4焊层、5凹槽、6液态金属、7绝缘密封环。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1-2所示，一种基于液态金属的功率模块封装结构，包括上印刷电路板1、功率半导体芯片2、下陶瓷金属基板3，柔性上印刷电路板1的下表面铜层上通过焊层4与功率半导体芯片2相连接，下陶瓷金属基板3上部铜层上通过刻蚀形成凹槽5，下陶瓷金属基板3上部铜层表面采用镀银处理，凹槽5内部填充液态金属6--镓铟银合金。且功率半导体芯片2嵌入到凹槽5内的液态金属6中，以实现下陶瓷金属基板3上表面与功率半导体芯片2下表面以之间的电气连接；
柔性上印刷电路板1上在功率半导体芯片2的四周设有环氧树脂绝缘密封环7以防止液态金属6进入到功率半导体芯片2和柔性上印刷电路板1之间造成短路；液态金属6通过表面张力将下陶瓷金属基板3与上印刷电路板1吸附在一起；
柔性上印刷电路板1下表面的铜层的栅极和源极通过焊层4和功率半导体芯片2的栅极与源极相连接，功率半导体芯片2下表面的漏极铜层通过液态金属6与陶瓷金属基板的上表面铜层相连接；柔性上印刷电路板1下表面铜层通过过孔连接到柔性上表面的对应铜层，以实现上下表面之间铜层的电气连接；柔性上印刷电路板1上表面铜层作为该封装结构的功率端子。
在本实施例中，使用了由银、铟和镓组成的液态金属材料。与SAC 305焊料相比，它具有竞争力的热性能和电性能(导热率为75W/(mK)，导电率为5×10 6S/m)。此外，镓铟银合金是一种无毒材料，其熔点相对较低，为8℃，使其成为室温下可行的互连材料。
采用的SiC MOSFET(SCT116N120G3DXAG，1200V，130A)的漏极是Ti/Ni/Ag，与镓铟银合金液态金属中的镓接触时表现出化学稳定性。陶瓷金属基板镀银，确保了和镓铟银合金液态金属具有良好的附着性，从而可以让液态金属更好的附着在在陶瓷金属基板和芯片金属表面，并降低界面处的热阻和电阻。
表1
由于液态金属具有很高的表面张力，其表面张力系数γ>500mN/m，本实施例所提出的封装规格如上表1所示，陶瓷金属基板与液态金属覆盖的柔性印刷电路板之间的接触界面的总周长L为54.3mm。计算出克服表面张力并分离两个表面所需的最小力F＝2γL为54.3mN，表明液态金属的表面张力可以支撑封装的总重量(28.6mN)。此外，极高的表面张力可确保液态金属停留在界面之间，而不会出现随机流动。
柔性印刷电路板由0.29毫米薄的聚酰亚胺芯层组成，两侧都有两个2盎司铜层。通过连接源极和栅极，在芯片和柔性印刷电路板之间使用焊料，从而实现芯片顶侧的精确连接，并保持芯片围绕空腔中心浮动。与芯片和陶瓷金属基板之间的芯片贴装不同，由于柔性印刷电路板的杨氏模量低且厚度薄，柔性印刷电路板和芯片之间的焊料层不会承受高热应力。此外，薄型柔性印刷电路板结构还可以实现较小的功率环路，有效降低寄生电感和电阻。
将有限元分析用于评估和比较基于液态金属的封装和基于焊料的封装的热机械应力：
对于热建模，封装的100W损耗被设置为热源。陶瓷金属基板的底侧设置为传热系数为7500W/(m 2K)，代表实验中液冷板提供的冷却能力。所有其他边界都是绝热的。机械建模时，柔性印刷电路板和陶瓷金属基板之间的接触界面采用库仑摩擦模型，摩擦系数为0.5。对于基于液态金属的封装，柔性印刷电路板的顶面需承受20N向下的力，对于普通的机械夹紧来说是微不足道的。对于基于焊料的封装，不施加外力。
由图3可见图液态金属封装中SiC芯片上的热机械应力明显低于焊接封装。这提高了可靠性，因为内部的高应力芯片可能会导致设备破裂。液态金属封装的应力主要分布在焊接到柔性印刷电路板的源极焊盘附近，而且柔性印刷电路板较薄且聚酰亚胺的杨氏模量较低，因此，芯片与柔性印刷电路板之间的小焊料连接不会造成高应力。相比之下，对于基于焊接的封装，芯片的顶面和底面分别焊接到柔性印刷电路板和陶瓷金属基板上。与陶瓷金属基板基板厚铜的刚性连接会产生很大的应力。因此，焊料封装中芯片的平均范式等效应力(von Mises应力)比基于液态金属的设计高2.25倍。
如图4所示，由于芯片的CTE热膨胀系数比陶瓷金属基板低，因此其热应变也较低。对于基于液态金属的封装，陶瓷金属基板和芯片之间的热应变差异不是问题，因为它通过液态金属和浮动芯片结构解耦。因此，与基于焊料的封装相比，液态金属封装的芯片应变较低，而陶瓷金属基板应变较高。对于基于焊料的封装，刚性连接使SiC芯片受到拉力，陶瓷金属基板受到压缩力，从而在芯片、焊料和陶瓷金属基板之间产生显着的剪切应力。
陶瓷金属基板的剪切应力如图5所示，对于基于焊料的封装，凹槽内的平均剪切应力达到16.6MPa。然而，对于液态金属封装，凹槽内的平均剪切应力仅为106kPa，降低了99.4％。剪切应力的大幅相抵是由于通过与流体液态金属连接来解耦芯片和陶瓷金属基板的应变。值得注意的是，腔体外部的剪应力也减小了：在
图5a)中，柔性印刷电路板和陶瓷金属基板之间的高剪切应力是由于通过焊料进行刚性连接造成的。通过流体液态金属连接柔性印刷电路板和陶瓷金属基板，该应力几乎被消除，如图5(b)所示。
图6还比较了柔性印刷电路板底部铜层的剪应力。焊料封装的平均表面剪切应力达到3.95MPa，而液态金属封装的平均表面剪切应力仅为0.74MPa。这是因为基于焊料的封装的刚性连接变成了基于液态金属的封装中的流体连接，并且铜表面上的力变成摩擦力，使得不匹配的热膨胀系数CTE导致剪切应力显着降低。铜层上较低的剪切力可以减少柔性印刷电路板分层的可能以提高可靠性。
不同功耗下的热阻结果如图7所示。可以看出，液态金属封装的热阻随着功耗的增加而略有增加，从0.92K/W增加到1.04K/W。这是因为在高功率损耗下，高温会增加液态金属内部自由电子的散射，从而降低其热导率。然而即便如此，液态金属封装的平均热阻仅比焊接封装高5％。
通过用压力传感器替换水冷板，可以测量施加到封装的向下力(夹紧力)。液态金属封装的特性已在不同夹紧力下进行了测试。B1505A曲线追踪器的结果如图8所示。当施加到柔性印刷电路板上的力超过4.3N时，其对通态电阻的影响可以忽略不计。这意味着基于液态金属的封装设计仅需要非常低的夹紧力就能在柔性印刷电路板、芯片和陶瓷金属基板之间实现良好的电接触。在实际应用中，该压力低于将电源模块连接到散热器所需的压力。焊接封装和液态金属封装的导通电阻Rdson分别为15.53mΩ和15.98mΩ，非常接近。
为了验证所提出的液态金属封装的电压阻断能力，测量了漏电流，结果如图图9。当电压超过1.5kV或漏电流超过1μA时，测量停止。基于液态金属的封装在1.5kV时的漏电流为640nA。这表明即使在超出了SiC MOSFET的额定电压下，基于液态金属的封装未出现局部放电以及击穿。这证明镓铟银合金液态金属封装不会影响器件的电压阻断能力。
在其他实施方式中，柔性上印刷电路板也可以替换为陶瓷金属基板或金属扣或键合线。陶瓷金属基板也可以替换为普通印刷电路板或柔性印刷电路板或金属铜板或金属铜框架。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于液态金属的功率模块封装结构，包括上印刷电路板或上陶瓷金属基板、功率半导体芯片、下陶瓷金属基板，上印刷电路板的下表面铜层上通过焊层与功率半导体芯片相连接，其特征在于：所述下陶瓷金属基板上部铜层上通过刻蚀形成凹槽，下陶瓷金属基板上部铜层表面采用镀银处理，凹槽内部填充液态金属，且功率半导体芯片嵌入到凹槽内的液态金属中，以实现下陶瓷金属基板上表面与功率半导体芯片下表面以之间的电气连接；
上印刷电路板上在功率半导体芯片的四周设有绝缘密封环以防止液态金属进入到功率半导体芯片和上印刷电路板之间造成短路；液态金属通过表面张力将下陶瓷金属基板与上印刷电路板吸附在一起；
上印刷电路板下表面的铜层的栅极和源极通过焊层和功率半导体芯片的栅极与源极相连接，功率半导体芯片下表面的漏极铜层通过液态金属与陶瓷金属基板的上表面铜层相连接；上印刷电路板下表面铜层通过过孔连接到柔性上表面的对应铜层，以实现上下表面之间铜层的电气连接；上印刷电路板上表面铜层作为该封装结构的功率端子。
2.如权利要求1所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：所述绝缘密封环为环氧树脂或硅橡胶或聚酰胺或聚酰亚胺或树脂材质的绝缘密封环。
3.如权利要求1所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：所述功率半导体芯片为碳化硅功率半导体芯片或氮化镓功率半导体芯片或硅功率半导体芯片或氧化镓功率半导体芯片或金刚石功率半导体芯片。
4.如权利要求1所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：所述液态金属为镓铟银合金或镓铟锡合金。
5.如权利要求1所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：所述下陶瓷金属基板为铜-陶瓷-铜的三层结构。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种基于液态金属的功率模块封装结构，其特征在于：上印刷电路板为普通印刷电路板或柔性印刷电路板。
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- 2024-02-27 CN CN202410212041.0A patent/CN118156228A/zh active Pending
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