一种提高功率半导体器件可靠性的封装用基板及制造工艺的制作方法

本发明属于半导体设备领域，涉及一种封装用基板，尤指一种提高功率半导体器件可靠性的封装用基板及制造工艺。

背景技术：

随着功率半导体技术的发展以及市场应用的需求，功率半导体器件所承载的电流越来越高，并不断朝着小体积、高密度、多集成的趋势发展，旨在实现系统小型化、高性能、高可靠性和低成本。

目前，功率半导体器件产品形式和封装方案多种多样，其中，对于大功率半导体器件，工作状态下通常需要通过数百安培的电流，为了降低导体损耗，采用电阻率低、金属层厚的直接敷铜陶瓷基板（dbc）、直接镀铜陶瓷基板（dpc）、直接敷铝陶瓷基板（dba）、直接镀铝陶瓷基板（dpa）、或活性金属键合基板（amb）等来替代厚膜工艺。该类基板的特点是在陶瓷母材上具有金属层，并在金属层上通过刻蚀工艺形成各种线路图形，大量使用在功率半导体模块中，在汽车电子、工业电子、轨道交通、新能源、航天航空等领域中广泛应用。

图1示出了一种公知的典型大功率模块封装形式，其中基板为陶瓷基板4、上金属层5和下金属层6组成的三明治结构。芯片1通过焊膏2粘接到基板的上金属层5上，基板的下金属层6通过焊膏8粘接到底板9上，通过键合引线3实现芯片1之间的电气连接，再由母线7实现与外部的电气连接。最后，用硅凝胶11进行灌封，再安装外壳12。由于硅凝胶11为一种粘度较高的软胶，主要用于防潮、防震、防短路等功能，不具备防止基板断裂的能力。

然而，功率模块封装工艺过程中，封装芯片和基板通过焊料焊接，经历回流焊接温度大幅变化；在使用过程中，受到外界恶劣的环境（极端高温、极端低温等）影响、以及频繁开关操作，导致器件温度变化。由于封装材料热膨胀系数不匹配，因此，在封装和使用中封装体内各部件承受热应力，尤其是陶瓷基板，经历一段时间后易造成基板热疲劳失效，基板从金属层边缘交界处断裂，从而导致功率半导体器件失效；而诸多应用环境又对高可靠性的需求不断提高，例如轨道交通中要求功率模块连续三十年运行无障碍，因此，如何提高功率模块的可靠性成为亟需解决的问题。

技术实现要素：

为了克服功率模块尤其是基板在经受封装工艺过程、频繁开关以及外部恶劣环境下容易失效的这类问题，本发明提供一种封装用基板，降低基板应力集中，提高功率半导体器件可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种封装用基板，包括陶瓷基板和位于其表面的金属层，其特征在于：通过刻蚀工艺在金属层上形成线路图形，在刻蚀的线路之间的间隙内填充胶。

作为改进，所述陶瓷基板采用氧化铝、氮化铝或氮化硅制成。

作为改进，所述金属层采用铜或铝制成。

作为改进，所述陶瓷基板通过高温扩散、或电镀、或化学镀、或活性钎焊工艺实现陶瓷基板上附着金属层，形成待刻蚀的金属线路层。

作为改进，所述金属层表面无镀层，或镀镍、金及铂中一种元素或几种元素的混合。

作为改进，所述填充胶选择具有流动性好、易固化，固化后硬度高且热膨胀系数接近金属层热膨胀系数的填充胶材料。

作为改进，填充胶涂敷之后，进行固化，再进行封装后续工艺，将所需部件粘接在陶瓷基板上。

作为改进，填充胶固化后满足下述条件：填充胶完全覆陶瓷基板-被刻蚀的金属层界面角点，且固化后高度不超过金属层。

作为改进，刻蚀的线路之间的间隙内填充胶采用注射点胶工艺，将预先计算好的填充胶定量注射至间隙中，实现填充胶的涂敷。

作为改进，刻蚀的线路之间的间隙内填充胶采用丝印点胶工艺，设计掩模板或钢网，将一定量的填充胶通过载玻片或刮刀刮过线路层，涂敷至整个复杂的线路间隙中，同时保证了表面的清洁。

一种封装用基板制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过高温扩散、或电镀、或化学镀、或活性钎焊工艺实现陶瓷层上附着金属层，形成待刻蚀的金属线路层；

步骤二、通过刻蚀工艺在金属线路层上形成线路图形；

步骤三、在刻蚀的线路之间的间隙内填充胶，

步骤四、填充胶固化后，通过丝网印刷工艺在底板上印刷焊膏，将陶瓷基板底部的金属层对准贴在焊膏上，进行第一次回流焊接，实现陶瓷基板与底板的粘接；

步骤五、再在陶瓷基板顶部的金属层上丝网印刷焊膏，将芯片对准贴在焊膏上，进行第二次回流焊接，实现芯片与陶瓷基板的粘接；

步骤六、通过键合引线实现芯片之间的电气连接，通过母线实现芯片与外部的电气连接；

步骤七、最后，用硅凝胶进行灌封，再安装外壳，即完成封装用基板制作。

作为改进，步骤四中的第一次回流焊接和步骤五中的第二次回流焊接也可以同时进行。

作为改进，步骤三中，刻蚀的线路之间的间隙内填充胶采用注射点胶工艺，将预先计算好的填充胶定量注射至间隙中，实现填充胶的涂敷。

作为改进，步骤三中，刻蚀的线路之间的间隙内填充胶采用丝印点胶工艺，设计掩模板或钢网，将一定量的填充胶通过载玻片或刮刀刮过线路层，涂敷至整个复杂的线路间隙中，同时保证了表面的清洁。

本发明的有益效果是，本发明减少基板及封装体的应力集中，提高基板以及器件整体的可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是公知的典型大功率模块封装形式。

图2是陶瓷基板俯视图。

图3是涂敷填充胶后的陶瓷基板俯视图。

图4是填充胶涂敷且固化后的中间凹陷形貌。

图5是填充胶涂敷且固化后的平齐形貌。

图6是填充胶涂敷且固化后的角点形貌。

图7是填充胶涂敷且固化后高于上金属层，为不合格型。

图8是填充胶涂敷且固化后不仅高于上金属层，还溢出，也为不合格型。

图中1-芯片，2、8-焊膏，3-键合引线，4-陶瓷基板，5-上金属层，6-下金属层，7-母线，9-底板，10-填充胶，11-硅凝胶，12-外壳。

具体实施方式

本发明实施例提供一种用于提高功率半导体器件可靠性的封装用基板，图2为表面有金属层线路的陶瓷基板4，陶瓷基板4的上金属层5通过刻蚀工艺形成了线路图形，线路之间的间隙随着线路需求呈现不同的尺寸和复杂程度。

图3为涂敷填充胶后的基板俯视图，上金属层5刻蚀的线路之间间隙内涂敷填充胶10。由于填充胶具有流动性好、易固化的特点，且由于刻蚀工艺限制，线路间距不低于0.5mm，可预先计算所需填充间隙的体积，对应称取所需填充胶重量，采用注射点胶工艺，实现填充胶10的涂敷。

当线路形状复杂时，间隙有多处角点，可采用丝印点胶工艺，设计掩模板或钢网，将一定量的填充胶10通过载玻片或刮刀刮过线路层，涂敷至整个复杂的线路间隙中，同时保证了表面的清洁。

填充胶10在常温下实现固化，根据涂敷工艺以及金属层表面情况的不同，所形成的形貌有多种情况，包括图4中的中间凹陷型、图5中的与金属层平齐型、图6中的包覆陶瓷-金属界面角点型，以及满足下述条件的其他形貌：填充胶完全覆盖陶瓷基板-被刻蚀的金属层界面角点、且固化后高度不超过金属层。

填充胶10固化之后再进行封装后续工艺，将所需部件粘接在陶瓷基板4上。在本实施例中，通过丝网印刷工艺在底板9上印刷焊膏8，陶瓷基板4的下金属层6对准贴在焊膏8上，进行第一次回流焊接，实现陶瓷基板4与底板9的粘接。再在陶瓷基板4的上金属层5上丝网印刷焊膏2，将芯片1对准贴在焊膏2上，进行第二次回流焊接，实现芯片1与陶瓷基板4的粘接。其中，第一次回流焊接和第二次回流焊接也可以同时进行。然后，通过键合引线3实现芯片1之间的电气连接，通过母线7实现芯片1与外部的电气连接。最后，用硅凝胶11进行灌封，再安装外壳12。

由于填充胶10固化后硬度高、热膨胀系数接近金属层的热膨胀系数，减少了陶瓷基板-被刻蚀的金属层界面处应力集中，从而提高了基板及封装体的可靠性。

所述陶瓷基板4可采用氧化铝、氮化铝或氮化硅制成。所述金属层采用铜或铝制成。

所述陶瓷基板4通过高温扩散、或电镀、或化学镀、或活性钎焊工艺实现陶瓷基板上附着金属层，形成金属层。

所述金属层表面无镀层，或镀镍、金及铂中一种元素或几种元素的混合。

所述填充胶选择具有流动性好、易固化，固化后硬度高且热膨胀系数接近金属层热膨胀系数（室温下热膨胀系数：铜为16.5ppm/°c，铝为24ppm/°c），的填充胶材料，例如但不限于，汉高hysolfp4526型号填充胶，该填充胶流动性好，室温下30分钟固化、热膨胀系数为33ppm/°c，固化后模量为8.5gpa。

填充胶涂敷之后，进行固化，再进行封装后续工艺，将所需部件粘接在陶瓷基板上。