一种绝缘灌封方法及功率半导体器件与流程

1.本发明涉及高压封装技术领域，具体涉及一种绝缘灌封方法及功率半导体器件。


背景技术：

2.为满足可再生能源的大规模开发和利用，传统电网正向以电力电子技术广泛应用为代表的智能电网方向发展，电力电子装置在智能电网建设、facts高压输电、新能源接入等领域都发挥着不可替代的作用，这无疑对高压、大容量、高频、耐高温的电力电子器件提出了更高的需求。目前电力系统的大功率电力电子装置绝大多数都是采用硅电力电子器件，如igbt、晶闸管、gto等，来实现电能的控制和转换，由于硅电力电子器件受制于材料本身在耐压、工作温度等物理特性的限制，因此要想从根本上提高大功率电力电子装备的可靠性和稳定性，降低系统的总体损耗，提高能源的控制转换效率，需要研究开发更高耐压、更低功耗和耐高温的新型电力电子器件。
3.碳化硅(silicon carbide，sic)器件是目前为止技术最成熟、应用最广泛的第三代半导体电力电子器件之一，可以打破传统硅基器件的物理极限，具有电压等级高、通流能力大、损耗小、散热快等优点，可广泛应用于固态变压器、固态断路器等新型电力电子装备以及传统的facts和直流输电装备，将对电力系统的经济安全运行等方面产生重要影响，实现电网技术的革新。
4.但目前针对于sic芯片封装仍然沿用传统si基芯片工艺，尤其是绝缘灌封工艺。相比于si基芯片(目前大多数sic基器件结温在150℃)，sic芯片因其特性能够在更高温度下服役(大于200℃)。而且目前沿用的灌封(硅凝胶)工艺在150℃以上温度时会产生气泡等缺陷，降低芯片绝缘等级，导致器件放电击穿失效。同时现有的灌封工艺存在可靠性较差的问题


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供一种绝缘灌封方法及功率半导体器件，以解决现有技术中对于灌封工艺易产生气泡且可靠性较差的技术问题。
6.本发明实施例提供的技术方案如下：
7.本发明实施例第一方面提供一种绝缘灌封方法，包括：在待灌封样品表面形成涂覆层；在待灌封样品形成涂覆层的表面进行第一层灌封，所述第一层灌封包括第一灌胶和第一脱气处理，所述第一脱气处理包括多次真空和正压处理；在待灌封样品进行第一层灌封后的表面进行第二层灌封。
8.可选地，待灌封样品包括金属底板，在待灌封样品形成涂覆层的表面进行第一层灌封之前，还包括：将框架和金属底板粘接，形成子单元；将形成的子单元进行清洗，并与压装夹具进行组装。
9.可选地，在待灌封样品形成涂覆层的表面进行第一层灌封之前，还包括：对组装好的结构进行加热除湿；对组装好的结构进行预设温度下的压装，并进行冷却。
10.可选地，在待灌封样品表面形成涂覆层之后，还包括：对待灌封样品进行真空脱气以及涂覆层固化；在待灌封样品形成涂覆层的表面进行第一层灌封之前，还包括：对待灌封样品进行真空脱气。
11.可选地，所述第一脱气处理之后还包括第一固化处理，所述第一灌胶包括多次灌胶，每次灌胶为预设灌胶量，每次灌胶之后进行第一脱气处理。
12.可选地，在待灌封样品进行第一层灌封后的表面进行第二层灌封，包括：对待灌封样品进行第一层灌封后的表面依次进行第二灌胶、第二脱气和第二固化处理，所述第二灌胶和所述第二脱气过程中进行加热处理。
13.可选地，第二脱气处理包括多次真空和正压处理，直至无气泡产生，所述第二脱气处理的真空度小于所述第一脱气处理的真空度；所述第一固化处理和所述第二固化处理为在80℃-120℃下持续60min-120min。
14.可选地，所述第二灌胶和所述第二脱气处理中加热处理的温度为40℃-80℃。
15.可选地，在待灌封样品进行第一层灌封后的表面进行第二层灌封之后，还包括：将压装夹具拆除，得到灌封后的子单元。
16.本发明实施例第二方面提供一种功率半导体器件，所述功率半导体器件采用本发明实施例第一方面及第一方面任一项所述的绝缘灌封方法灌封得到。
17.本发明技术方案，具有如下优点：
18.本发明实施例提供的绝缘灌封方法及功率半导体器件，对待灌封样品构建了三道保护防线，其中，形成的涂覆层能够降低局放起始电压，第一层灌封能够对待灌封样品进行绝缘保护，第二层灌封起到支撑和导热作用，同时能够更好的隔绝外部环境水汽，提高器件可靠性。并且，在进行第一层灌封时，第一脱气处理采用真空和正压反复处理，能够通过改变气体的逃逸系数，促使气泡排除/破裂，从而实现无缺陷灌封。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例中绝缘灌封方法的流程图；
21.图2为本发明实施例中子单元内部示意图；
22.图3为本发明实施例中灌封过程的脱气工艺示意图；
23.图4为本发明实施例中子单元压装示意图；
24.图5为本发明实施例中灌封结构示意图；
25.图6为本发明另一实施例中绝缘灌封方法的流程图。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
30.本发明实施例提供一种绝缘灌封方法，如图1所示，该绝缘灌封方法包括如下步骤：
31.步骤s101：在待灌封样品表面形成涂覆层，所述涂覆层覆盖待灌封样品。封装绝缘问题主要出现在高压封装领域，因此，该待灌封样品可以是高压碳化硅芯片。在其他实施例中，该绝缘灌封方法也可以应用于低压领域芯片封装中。具体的，如图2所示，当该灌封样品为碳化硅芯片时，在形成涂覆层后，涂覆层覆盖芯片表面、键合线键合点根部以及覆铜绝缘板表面。其中键合线连接芯片和覆铜绝缘板。同时，该芯片还连接有栅极探针。
32.为了使得涂覆层能达到相应的效果，涂覆层的涂覆材料的绝缘强度要大于等于30kv/mm，耐高温性能大于等于200℃，同时具有较好的流动性；而较好的流动性可以使得材料内部阻力较小，不容易出现气泡。形成的涂覆层作为第三道防线能够隔绝芯片和外部环境，同时能够提高局放起始电压。
33.步骤s102：在待灌封样品形成涂覆层的表面进行第一层灌封，所述第一层灌封包括第一灌胶和第一脱气处理，所述第一脱气处理包括多次真空和正压处理。其中，第一层灌封可以采用灌胶设备向待灌封样品形成涂覆层的表面灌胶形成。同时，为了达到第一层灌封的效果，第一层灌封时采用的灌封材料需要保证绝缘强度大于等于30kv/mm，耐高温性能大于等于200℃，粘度小于等于1000mpas，可操作时间大于等于1h。第一层灌封能够实现对芯片进行绝缘和耐压保护，同时可以作为隔绝芯片和环境的第二道防线。
34.其中，在第一灌胶之后的第一脱气处理中，采用真空与正压反复处理的过程，能够通过改变气体的逃逸系数，促使气泡排除/破裂，从而实现无缺陷灌封。具体地，在进行第一脱气处理过程时，如图3所示，体采用采用真空-保压-泄压-真空-保压
‑……‑
泄压-正压-保压
‑……‑
泄压工艺；直至无法观察到气泡产生为止。
35.步骤s103：在待灌封样品进行第一层灌封后的表面进行第二层灌封。在第一层灌封的基础上，采用灌胶设备进行第二层灌封，第二层灌封能够保护第二灌封层，同时起到支撑与传热作用，作为隔绝环境与环境的第三道防线。具体地，对于第二层灌封时采用的材料需要具有优异的疏水性能，能够完全隔绝外部水汽，同时需要具有较好的传热能力。例如，第二层灌封材料可以是环氧材料与金属纳米颗粒的复合材料，提高其传热特性。
36.本发明实施例提供的绝缘灌封方法，对待灌封样品构建了三道保护防线，其中，形
成的涂覆层能够降低局放起始电压，第一层灌封能够对待灌封样品进行绝缘保护，第二层灌封起到支撑和导热作用，同时能够更好的隔绝外部环境水汽，提高器件可靠性。并且，在进行第一层灌封时，第一脱气处理采用真空和正压反复处理，能够通过改变气体的逃逸系数，促使气泡排除/破裂，从而实现无缺陷灌封。
37.在一实施方式中，如图2所示，待灌封样品包括金属底板，该金属底板设置在芯片和覆铜绝缘板的底部，在待灌封样品形成涂覆层的表面进行第一层灌封之前，还包括如下步骤：
38.步骤s201：将框架和金属底板粘接，形成子单元；具体地，为了固定灌封后芯片表面的灌封材料，在进行第一层灌封之前，先采用框架和芯片底部的金属底板粘接，形成子单元。同时根据灌封的样品的不同，还可以在将框架和金属底板粘接之后进行弹性组件的组装，其中，组装的弹性组件设置覆铜绝缘板远离金属底板的表面。为了实现框架固定灌封材料、弹性组件定位以及对芯片起到隔离支撑作用，框架选择高绝缘强度、耐高温、耐高压以及具有一定机械强度的材料构成。对于框架的具体绝缘强度可以按照待灌封样品的绝缘需求进行绝缘设计。
39.步骤s202：将形成的子单元进行清洗，并与压装夹具进行组装。具体地，对子单元的清洗能够去除污染杂质，防止杂质降低子单元绝缘强度。其中该清洗过程可以分为两次进行，第一次清洗溶剂为特殊有机溶液，去除组件与芯片表面有机污染物；第二次清洗为去除有机溶剂残留与非金属污染颗粒，清洗后需进行氮气吹扫，确保残留杂质完全排除。
40.对于清洗后的子单元，将其和压装夹具进行组装，为后续灌封做准备。其中压装夹具根据子单元结构进行定制，以便更好的固定子单元。其中，如图4所示，压装夹具具体包括上压装板和下压装板，上压装板在特定位置具备栅极定位凸台，能够在压装时确保栅极与辅助发射极受力均匀。下压装板具有定位槽，用于固定子单元。此外，上压装板上还具有注胶孔，便于第一层灌封和第二封灌封的灌胶过程。
41.在一实施方式中，在待灌封样品形成涂覆层的表面进行第一层灌封之前，还包括如下步骤：
42.步骤s301：对组装好的结构进行加热除湿；具体地，当对子单元组装之后，对组装后的结构进行除湿，从而排除材料内部与不同零件接触面间的水汽，减少固化后灌封材料内部气孔。其中，采用烘烤加热的方式实现除湿过程，具体烘烤过程可以在80℃-120℃下持续20min-60min。此外，为了防止氧化，加热除湿在真空或者惰性氛围中进行。
43.步骤s302：对组装好的结构进行预设温度下的压装，并进行冷却。具体地，在加热除湿之后且未冷却之前进行压装，能够防止空气中的水汽进入子单元内部。因此，在压装时，需要使得组装后的结构具有一定的温度。在压装时，压装的压力可以是子单元工作压力的80％。由于压装时子单元具有第一温度，为了便于后续灌封过程，将压装后的结构进行冷却，在冷却到30℃-40℃时进行后续灌封过程。
44.在一实施方式中，在待灌封样品表面形成涂覆层之后，还包括：对待灌封样品进行真空脱气以及涂覆层固化；具体地，形成涂覆层之后，还需要将涂覆层固化，固化前进行真空脱气，能够实现固化时涂覆层内部无气泡缺陷。并且，在固化过程中，须严格控制升温、降温速率，确保固化后涂覆层的绝缘性能。
45.在待灌封样品形成涂覆层的表面进行第一层灌封之前，还包括：对待灌封样品进
行真空脱气。具体地，该真空脱气过程可以在将子单元压装冷却之后进行，将压装号的样品进行真空脱气，能够排除接触面和框架粘接位置以及材料中的气体。该真空脱气具体可以在2mbar下持续30min。
46.在一实施方式中，在进行第一灌胶时，具体灌胶量根据子单元内部结构空间确定，第一灌胶之后，灌胶量需要没过芯片和覆铜绝缘板。第一灌胶在真空下进行，具体真空条件为100mbar-200mbar。其中，第一灌胶过程根据具体灌胶量可以分为多次进行。每次灌胶为预设灌胶量，每次灌胶之后进行第一脱气处理。例如，以5g为一次进行灌胶每次灌封后进行脱气处理。第一脱气处理之后还包括第一固化处理，具体固化工艺为氮气氛围下80℃-120℃下持续60min-120min。并且固化温度不宜过高、时间不宜过长，防止灌封材料固化速率过快导致气体来不及排除；
47.在一实施方式中，在待灌封样品进行第一层灌封后的表面进行第二层灌封，包括：对待灌封样品进行第一层灌封后的表面依次进行第二灌胶、第二脱气和第二固化处理，所述第二灌胶和所述第二脱气过程中进行加热处理。具体地，在进行第二层灌封之前，可以在第一层灌封冷却到30℃-40℃后进行。第二层灌胶的工艺与第一层灌胶类似，也包括灌胶、脱气和固化过程。其中，第二灌胶的灌胶量也根据子单元内部空间确定，例如进行第二灌胶之后没过芯片弹性组件的接触头。第二层灌封的灌胶材料需要满足绝缘强度大于等于30kv/mm，耐高温性能大于等于200℃，粘度小于等于5000mpas，可操作时间大于等于1h；从而保证第二层灌封具有优异的疏水性能，能够完全隔绝外部水汽；具有较好的传热能力。
48.并且，由于第二层灌封中的灌封材料粘度增加，因此在第二灌胶过程中对灌封材料加热，使其具备一定的流动性，温度可以为40-80℃；同时，在第二脱气处理过程中进行加热，使其具备一定的流动性，温度可以为40-80℃；灌胶过程中对灌胶材料进行加热处理能够使得灌封材料填充的更加充分，确定子单元内部的角落也能有胶水流进。而在脱气过程中加热提高流动性，能够减小灌封材料内部阻力，排除气泡。此外，第二脱气处理包括多次真空和正压处理，直至无气泡产生，所述第二脱气处理的真空度小于所述第一脱气处理的真空度；例如，第二脱气处理真空度为第一脱气处理的40％-60％，以最大限度的减小对已固化的第一层灌封的影响；所述第二固化处理和第一固化处理条件相同，即为在80℃-120℃下持续60min-120min。第二层灌封之后的结构如图5所示。
49.在一实施方式中，在待灌封样品进行第一层灌封后的表面进行第二层灌封之后，还包括：将压装夹具拆除，得到灌封后的子单元。具体地，夹具拆除过程可以在第三层灌封冷却之后进行。
50.在一实施方式中，以待灌封样品为碳化硅芯片为例，如图6所示，该绝缘灌封方法可以按照如下流程实现：
51.1.在碳化硅芯片和覆铜绝缘板表面形成涂覆层，涂覆层完全覆盖芯片表面、键合线键合点根部、覆铜绝缘板边缘；形成涂覆层之后进行真空脱气和固化处理。
52.2.将框架和设置在芯片底部的金属底板粘接，并进行弹性组件的组装，形成子单元。
53.3.对形成的子单元进行两次清洗，第一次清洗溶剂为特殊有机溶液，去除组件与芯片表面有机污染物；第二次清洗为去除有机溶剂残留与非金属污染颗粒；清洗后进行氮气吹扫，确保残留杂质完全排除。
54.4.将子单元与压装夹具组装，为灌封做准备；压装夹具包括上压装板和下压装板，其中上压装板在特定位置具备栅极定位凸台，目的为在压装时确保栅极与辅助发射极受力均匀；下压装板具有定位槽，用于固定子单元。
55.5.将上述组装好的结构进行烘烤除湿，排除材料内部与不同零件接触面间的水汽，降低固化后灌封材料内部气孔；烘烤过程在真空/惰性气氛中进行，防止氧化现象。
56.6.趁热加压防止空气中的水汽进入子单元内部；压装压力为子单元工作压力的80％；压装后冷却至稍高于室温(30℃-40℃)进行灌封。
57.7.将压装好的样品进行真空脱气，排除接触面、框架粘位置与材料中气体；脱气参数为2mbar/30min。
58.8.通过灌胶设备进行第一灌胶，然后进行第一脱气处理与第一固化处理，从而完成第一层灌封；灌胶真空为100mbar-200mbar，第一层灌封灌胶量根据子单元结构空间决定，以没过芯片与覆铜绝缘板为准；第一灌胶过程根据灌胶量可分为多步，该实施例以5g为一次进行灌胶每次灌封后进行脱气处理；脱气工艺如图5所示，采用真空-保压-泄压-真空-保压
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泄压-正压-保压
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泄压工艺；直至无法观察到气泡产生为止。反复真空与正压结合，能够通过改变气体的逃逸系数，促使气泡排除/破裂，从而实现无缺陷灌封；第一固化处理工艺为：氮气氛围80℃-120℃下持续60min-120min，固化温度不宜过高、时间不宜过长，防止灌封材料固化速率过快导致气体来不及排除；第一层灌封冷却至30-40℃后进行第二层灌封。
59.9.通过灌胶设备进行第二灌胶，然后进行第二脱气处理与第二固化处理，从而完成第二层灌封；第二灌封层的灌封过程与第二灌封层工艺类似，但需要根据灌封材料的粘度特性相应的增加加热功能，即在灌封过程中对灌封材料加热，使其具备一定的流动性，温度可以为40℃-80℃；第二灌封层的脱气过程与第二灌封层工艺类似，但需要根据灌封材料的粘度特性相应的增加加热辅助，即在脱气过程中进行加热，使其具备一定的流动性，温度可以为40℃-80℃；脱气环节真空度为第一层灌封工艺环节的40％-60％，以最大限度的减小对已固化的第一层灌封的影响；第二灌封的灌胶量根据子单元结构空间决定，以没过芯弹性组件的接触头为准。
60.10.冷却后拆除压装夹具，获得灌封后的子单元。
61.本发明实施例还提供一种功率半导体器件，所述功率半导体器件采用上述实施例所述的绝缘灌封方法灌封得到。
62.本发明实施例提供的功率半导体器件，具有涂覆层、第一层灌封以及第二层灌封三道保护防线，其中，形成的涂覆层能够降低局放起始电压，第一层灌封能够对待灌封样品进行绝缘保护，第二层灌封起到支撑和导热作用，同时能够更好的隔绝外部环境水汽，提高器件可靠性。并且，在进行第一层灌封时，第一脱气处理采用真空和正压反复处理，能够通过改变气体的逃逸系数，促使气泡排除/破裂，从而实现无缺陷灌封。
63.虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
64.此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。