一种封装结构及封装键合工艺

1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种封装结构及封装键合工艺。


背景技术：

2.在提倡节能减排、绿色环保的今天，新能源汽车备受关注。以电能作为新能源汽车动力的混动汽车和纯电动汽车是汽车的主流发展方向。半导体电力电子器件在汽车中的应用主要在于电机驱动、电池充电、车载空调、低压直流供电等。电机驱动是汽车电子领域工作功率最大的部分，目前大部分电动汽车是用s i基i gbt模块作为电机驱动。
3.随着晶圆材料和芯片工艺的快速发展，igbt功率器件的成本持续降低，在国防军工、电动汽车、新能源等领域，得到广泛应用。低感、高温、低热阻、低成本的i gbt功率模块得到持续关注，对功率模块的封装结构和封装工艺提出了更高的要求。相对于单面散热封装(s i ngl e-s ided coo l i ng，ssc)，双面散热(doub l e-s i ded coo l i ng，dsc)封装的i gbt功率模块充分利用芯片正面的散热通道，降低模块35％的结壳热阻。此外，dsc封装可以消除模块的键合线，减小80％的封装寄生电感，可以提高电气装备的开关频率，降低对热管理的需求，从而提高装备的功率密度。现有的专利号为cn202111507113.7《高功率密度超散热性芯片对称堆叠封装结构及其封装方法》公布了一种对称堆叠的封装结构，将两块芯片面对面对称地堆叠在一起，上方的芯片与上双面覆铜基板连接，下方的芯片与下双面覆铜基板连接。同时，采用两个铜夹分别放置在两芯片的发射极、栅极上，用以替代上述dsc的金属垫片和引线，这种结构通过使用对称堆叠封装使得单位面积的覆铜基板承载了更多的i gbt芯片，提升了功率密度；同时，模组中芯片垂直方向电路回路缩短，杂散电感减小，运行过程中电路功耗损失小，信号响应更快，同时通过铜夹代替引线工艺，减少杂散电感的同时也缩减了金属垫片的使用数量，封装工艺简单、用料少，成本低。然后该专利的对称封装的双面散热模块也存在如下问题：
4.1.功率调节灵活性差，两对称堆叠的i gbt芯片由于栅极和发射极都被铜夹连接，所以他们只能同时开闭，无法单独分立工作，一旦有一颗i gbt芯片失效，整个模组将会报废，功率调节灵活性欠佳，输出功率无法调节。
5.2.封装结构采用的无铅焊料焊接，其熔点较低(低于220℃)，限制了某些型号的igbt在高温下的使用，同时，由于铜夹的热膨胀系数较大(17ppm/k)，而s i的热膨胀系数仅为(3ppm/k)，较大的cte(热膨胀系数)差异使得铜夹与芯片的连接界面在使用过程中承受较大的热应力,当连接层焊料以及铜的累积塑性应变超过一定水平时，就会发生器件的失效，可靠性较差。
6.3.采用多次回流焊对金属垫块和覆铜基板进行连接时，一方面多次回流焊工艺复杂，另一方面，分多次回流焊的温度往往不能超过第一次回流焊连接好的焊料熔点，否则会使得第一次键合得到的焊点重熔，增加了错位或失效果的可能。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种封装结构及封装键合工艺。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种封装结构，包括：
10.相对设置的上双面覆铜基板和下双面覆铜基板；
11.第一电源转换芯片和第二电源转换芯片，非对称设置于所述上双面覆铜基板和下双面覆铜基板内侧，所述第一电源转换芯片和第二电源转换芯片的集电极分别与所述上双面覆铜基板和下双面覆铜基板的内表面焊接；所述第一电源转换芯片和第二电源转换芯片的栅极分别通过第一垫块和第二垫块与所述下双面覆铜基板和上双面覆铜基板内表面焊接。
12.铜夹，其上端上表面和下表面分别与所述第一电源转换芯片和第二电源转换芯片的发射极焊接，下端与所述下双面覆铜基板内表面焊接；
13.上引脚和下引脚，分别与所述上双面覆铜基板和下双面覆铜基板内表面焊接，所述上引脚通过上双面覆铜基板的电路与所述第一电源转换芯片的集电极、发射极和栅极电连接；所述下引脚通过下双面覆铜基板的电路与所述第二电源转换芯片的集电极、发射极和栅极电连接；
14.优选的，还包括塑封体，所述塑封体用于包裹所述上双面覆铜基板和下双面覆铜基板的内侧及所述第一电源转换芯片、第二电源转换芯片、第一垫块、第二垫块、铜夹、上引脚和下引脚的内表面和侧面。
15.优选的，所述第一垫块和第二垫块的材质为mo。
16.优选的，所述第一垫块上表面与所述第一电源转换芯片的栅极焊接，下表面与所述下双面覆铜基板的内表面连接，所述第二垫块下表面与所述第二电源转换芯片的栅极焊接，上表面与所述上双面覆铜基板的内表面连接。
17.优选的，所述上引脚和下引脚分别与所述上双面覆铜基板和下双面覆铜基板内表面采用纳米银焊料焊接。
18.优选的，所述上双面覆铜基板和下双面覆铜基板外表面均裸露出来。
19.优选的，所述第一电源转换芯片及第二电源转换芯片与所述上双面覆铜基板、下双面覆铜基板、铜夹、第一垫块和第二垫块焊接均采用低温瞬态液相扩散焊tlp焊焊接。
20.一种基于所述的封装结构的封装键合工艺，所述第一电源转换芯片与所述第一垫块mo的键合工艺包括如下步骤：
21.先在所述第一垫块上电镀上一层a l，再在a l层上溅射第一层金属m1,再在m1上溅射第二层金属m2；
22.在第一电源转换芯片上溅射第二层金属m3；
23.采用240℃-300℃对所述第一电源转换芯片与所述第一垫块进行tlp焊焊接。
24.优选的，所述第一电源转换芯片与所述上双面覆铜基板和铜夹的键合工艺与所述第一电源转换芯片与所述第一垫块的键合工艺相同；
25.所述第二电源转换芯片与所述下双面覆铜基板、铜夹和第二垫块的键合工艺与所述第一电源转换芯片与所述第一垫块的键合工艺相同。
26.优选的，所述第一层金属m1和第三层金属m3的材料为ag、cu或ni，所述第一层金属m1和第三层金属m3的材料不同，所述第二层金属m2的材料为sn或i n，第一层金属m1、第二层金属m2和第三层金属m3构成三元tlp焊点。
27.本发明提供的封装结构及封装键合工艺具有以下有益效果：
28.1.非对称双面堆叠散热封装，使得第一电源转换芯片和第二电源转换芯片的栅极由不同的引脚控制，从而使得第一电源转换芯片和第二电源转换芯片能够单独或协同工作，起到功率可调的效果；同时增加了产品报废的阈值，不会因为一颗芯片的封装故障导致整个器件报废，有利于企业的销售。
29.2.改进焊料组成和工艺，利用磁控溅射得到耐高温抗疲劳的三元薄膜焊料，并使用al-core的三元薄膜焊料进行tlp焊接，得到高熔点的焊接接头，增加了接头强度，同时由于al的塑韧性比较好，相应地可以承受较大等效塑性应变，解决了接头的热应力问题，提高使用寿命。
30.3.优化的mo垫片的键合方式，直接在mo上电镀al，并在al上方通过磁控溅射的工艺制备薄膜焊料层，省去了较多工艺步骤，同时减少了焊面，封装容错率更高。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
32.图1为本发明实施例的封装结构的结构示意图；
33.图2为本发明实施例1的封装结构的键合工艺的结构示意图；
34.图3为本发明实施例的双面覆铜基板的低周疲劳应变仿真结果示意图；
35.图4为本发明实施例2的封装结构的键合工艺的结构示意图；
36.图5为本发明实施例2的封装结构的另一键合工艺的结构示意图；
37.图6为电极示意图。
38.附图标记说明：
39.1-上双面覆铜基板,2-下双面覆铜基板,3-第一电源转换芯片,4-第二电源转换芯片,5-集电极,6-栅极,7-第一垫块,8-第二垫块，9-铜夹，10-发射极，11-上引脚，12-下引脚，13-塑封体,14-纳米银焊料。
具体实施方式
40.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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的技术方案和简化描述，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。
42.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
43.实施例
44.本发明提供了一种封装结构及封装键合工艺，具体如图1-6所示，一种封装结构包括上双面覆铜基板1、下双面覆铜基板2、第一电源转换芯片3、第二电源转换芯片4、铜夹9、上引脚11、下引脚12和塑封体13，如图1所示。相对设置的上双面覆铜基板1和下双面覆铜基板2均是由在陶瓷基板的顶部和底部覆上铜构成；第一电源转换芯片3和第二电源转换芯片4非对称设置于上双面覆铜基板1和下双面覆铜基板2内侧，第一电源转换芯片3和第二电源转换芯片4的集电极5分别与上双面覆铜基板1和下双面覆铜基板2的内表面焊接；第一电源转换芯片3和第二电源转换芯片4的栅极6分别通过第一垫块7和第二垫块8与下双面覆铜基板2和上双面覆铜基板1内表面焊接；铜夹9的上端上表面和下表面分别与第一电源转换芯片3和第二电源转换芯片4的发射极10焊接，下端与下双面覆铜基板2内表面焊接；上引脚11和下引脚12分别与上双面覆铜基板1和下双面覆铜基板2内表面焊接，上引脚11通过上双面覆铜基板1的电路与第一电源转换芯片3的集电极5、发射极10和栅极6电连接；下引脚12通过下双面覆铜基板2的电路与第二电源转换芯片4的集电极5、发射极10和栅极6电连接；塑封体13用于包裹上双面覆铜基板1和下双面覆铜基板2的内侧及第一电源转换芯片3、第二电源转换芯片4、第一垫块7、第二垫块8、铜夹9、上引脚11和下引脚12的内表面和侧面。
45.在本实施例中，第一垫块7和第二垫块8的材质为mo。
46.第一垫块7上表面与第一电源转换芯片3的栅极6焊接，下表面与下双面覆铜基板2的内表面连接，第二垫块8下表面与第二电源转换芯片4的栅极6焊接，上表面与上双面覆铜基板1的内表面连接。
47.上引脚11和下引脚12分别与上双面覆铜基板1和下双面覆铜基板2内表面采用纳米银焊料14焊接焊接；第一电源转换芯片3及第二电源转换芯片4与上双面覆铜基板1、下双面覆铜基板2、铜夹9、第一垫块7和第二垫块8焊接均采用低温瞬态液相扩散焊tlp焊焊接。上双面覆铜基板1和下双面覆铜基板2外表面均裸露出来，用于和外部散热器接触，形成快速散热通道。
48.实施例1：
49.一种基于封装结构的封装键合工艺，第一电源转换芯片3与第一垫块7的键合工艺包括如下步骤，如图2所示：
50.步骤1：先在第一垫块7上电镀上一层al，再在al层上溅射第一层金属m1,再在m1上溅射第二层金属m2；
51.步骤2：在第一电源转换芯片3上溅射第二层金属m3；
52.步骤3：采用240℃-300℃对第一电源转换芯片3与第一垫块7进行tlp焊焊接。
53.在本实施例中，第一层金属m1和第三层金属m3的材料为ag、cu或ni，第一层金属m1和第三层金属m3的材料不同，第二层金属m2的材料为sn或i n，第一层金属m1、第二层金属
m2和第三层金属m3构成三元tlp焊点。三元tlp焊点的焊接质量相对于二元焊点接头质量更高，孔隙率小。在采用该工艺键合的过程中，第一层金属m1、第二层金属m2和第三层金属m3构成tlp焊的中间层，当温度加热到略高于中间层熔点的温度即可在接头处形成液相，由于异质元素的充分扩散，形成的互连接头成分明显不同于金属母材和中间层，由于金属母材的高熔点组元向中间层的扩散，将显著提高互连接头的重熔温度，在接头处形成高熔点的金属间化合物(imc)，将赋予其耐受超过400℃的高温性能；al_core的引入在减少i mc焊料应力应变的同时，也缓解了上双面覆铜基板1和下双面覆铜基板2的低周疲劳应变，如图3所示，在有al_core时，由于al的塑韧性比较好，相应地可以承受较大等效塑性应变peeq，大部分的应力被al缓解，上双面覆铜基板1和下双面覆铜基板2的cu层的peeq可以忽略不计，根据al的c-m方程以及peeq收敛值，可推算出封装模块的寿命情况为：使用该焊点的双面散热模块与不使用该焊点的单面散热模块相比，整个封装模块的寿命提升了228％。另外，该工艺直接在mo上电镀al，并在al上通过磁控溅射的工艺制备薄膜焊料层，省去了较多工艺步骤，且减少了焊面，封装容错率更高。
54.实施例2：
55.第一电源转换芯片3与第一垫块7还可采用如下键合工艺键合：
56.如图4所示，首先在a l层上下溅射第一层金属m1(ag、cu或n i)，然后在第一层金属m1上溅射第二层金属m2(sn或i n)，在第一电源转换芯片3与第一垫块7上溅射第三层金属m3(ag、cu或n i)，其中m1和m3为不同的金属，以此构成三元tlp焊点，接着，将带有m1和m2薄膜焊料层的a l_core作为中间插层对齐摆放在第一电源转换芯片3与第一垫块7mo芯片之间，并在240℃-300℃之间进行tlp焊，完成焊接；为使tlp键合更完全，提高扩散效率，可以使用m1与m2交错堆叠的多层膜焊层结构，如图5所示。
57.第一电源转换芯片3与上双面覆铜基板1和铜夹9的键合工艺与第一电源转换芯片3与第一垫块7的键合工艺相同；
58.第二电源转换芯片4与下双面覆铜基板2、铜夹9和第二垫块8的键合工艺与第一电源转换芯片3与第一垫块7的键合工艺相同。
59.以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。