一种用于功率芯片与PCB基板之间的连接工艺的制作方法

一种用于功率芯片与pcb基板之间的连接工艺
技术领域
1.本发明属于功率半导体连接技术领域，尤其涉及一种用于功率芯片与pcb基板之间的连接工艺。


背景技术：

2.几乎所有分立功率器件和模块都使用键合线将芯片的顶部连接到引线。虽然这一工艺成本低且成熟，但对于高功率半导体来说仍有一些局限性。首先，引线键合的连接结构会产生相对较高的杂感，在高开关速度下会产生过电压，这迫使设计师加大半导体的尺寸。其次，键合线相对较低的可靠性通常降低了封装寿命。以前的研究主要是寻求用改进的技术取代电力电子中的键合线。翻转芯片(如bga封装等)是应用于平面晶体管的小信号电子器件中的常见方法。然而，这种技术不适用于主要使用垂直元件的电力电子设备。
3.可以在芯片上表面用烧结或焊接连接柔性箔以代替键合线，从而将杂散电感降低约10％，同时提高功率模块的可靠性。此外，如果柔性箔的一侧用于连接电源管芯，则可以在另一侧构建栅极驱动电路。然而，对于这种技术，模具的顶部金属化(通常由铝合金组成)必须兼容。
4.以银膏、铜膏为代表的金属烧结技术目前已经逐步应用于功率模块特别是第三代半导体碳化硅功率模块的封装互连。金属泡沫具有密度低、比表面积大、导热系数高、机械强度高、刚度好等优点，在热应用领域受到越来越多的关注。并广泛应用于工业应用，如热交换器，电子冷却，燃料电池，催化反应堆，航空航天飞机和空气冷却。特别是高渗透性和高导热性导热性，金属泡沫是广泛研究的热转移增强材料。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于功率芯片与pcb基板之间的连接工艺，旨在解决传统焊接方式以及引线键合导致的功率模块散热性能差、可靠性差的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种用于功率芯片与pcb基板之间的连接工艺，包括：
7.建立由第一pcb基板、功率芯片、泡沫金属、第二pcb基板依次层叠形成的搭接结构；
8.所述搭接结构通过温度工艺曲线处理，将所述泡沫金属与所述功率芯片进行连接，以及将所述泡沫金属与所述第二pcb基板进行连接；
9.在所述第一pcb基板和所述第二pcb基板之间注入高分子材料进行密封固化处理。
10.进一步地，所述建立由第一pcb基板、功率芯片、泡沫金属、第二pcb基板依次层叠形成的搭接结构，包括：
11.通过焊接工艺将所述功率芯片焊接于所述第一pcb基板的一侧；
12.放置所述泡沫金属于所述功率芯片远离所述第一pcb基板的一侧；
13.在所述泡沫金属远离所述功率芯片的一侧放置所述第二pcb基板,以使所述第一
pcb基板、所述功率芯片、所述泡沫金属、所述第二pcb基板形成搭接结构。
14.进一步地，所述泡沫金属包括金、银、铜、镍、锡、铅中的至少一种。
15.进一步地，所述泡沫金属由金属韧带相互连接的随机开放单元组成开孔，每个开孔由五边形或六边形组成孔隙直径，所述五边形或六边形的数量为12-14个。
16.进一步地，所述泡沫金属的长宽尺寸小于所述功率芯片的源极长宽尺寸，所述泡沫金属的长宽尺寸与所述功率芯片的源极长宽尺寸的差值范围为1-3mm。
17.进一步地，所述第二pcb基板与所述泡沫金属的连接面设置有金属镀层，所述金属镀层的材质包括金、银、铜、镍、铝中的至少一种。
18.进一步地，所述温度工艺曲线处理包括：将所述搭接结构放置于0.5-10mpa的工艺压力下，控制工艺温度经室温逐步上升至100-250℃的温度阈值，并在所述温度阈值下保持30-150分钟。
19.进一步地，所述温度工艺曲线处理包括至少一个工艺处理窗口，每个所述工艺处理窗口对应不同所述工艺温度与所述工艺压力的组合。
20.进一步地，所述温度工艺曲线处理对应的升温速率为0.1℃
·
s-1。
21.进一步地，所述高分子材料为分子链重复单元含有环氧官能团或者硅亚甲基基团的高分子材质。
22.本发明中提供一种用于功率芯片与pcb基板之间的连接工艺，与现有技术相比，本发明提出：建立由第一pcb基板、功率芯片、泡沫金属、第二pcb基板依次层叠形成的搭接结构；搭接结构通过温度工艺曲线处理，将泡沫金属与功率芯片进行连接，以及将泡沫金属与第二pcb基板进行连接；完成连接后，在第一pcb基板和第二pcb基板之间注入高分子材料进行密封固化处理；本发明基于泡沫金属以实现功率芯片与pcb基板互连，使用金属泡沫作为在印刷电路板内嵌的功率模块的顶部和电路的其余部分之间的压触点，能够更好的实现连接界面的应力释放，实现高可靠性互连，提升散热性能。
附图说明
23.图1是本发明实施例中连接工艺流程示意图；
24.图2是本发明实施例中基于结构显示的连接流程示意图；
25.在附图中，各附图标记表示：10-第一pcb基板；20-焊料；30-功率芯片；40-泡沫金属；50-金属镀层；60-第二pcb基板；70-固化层。
具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.参阅图1所示，本发明提供一种用于功率芯片与pcb基板之间的连接工艺，主要用于功率半导体的封装连接，尤其涉及一种基于泡沫金属实现功率芯片与pcb基板的电气连接工艺。包括：
28.步骤s101,建立由第一pcb基板、功率芯片、泡沫金属、第二pcb基板依次层叠形成的搭接结构。
29.其中，预先通过焊接工艺将功率芯片焊接于第一pcb基板的一侧。作为优选地，通过回流焊的方式完成功率芯片与第一pcb基板之间的焊接，在功率芯片与第一pcb基板之间放置焊料，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向焊料，焊料熔化后完成功率芯片与第一pcb基板之间的粘接，回流焊工艺中温度易于控制，焊化过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。
30.然后，放置泡沫金属于功率芯片远离第一pcb基板的一侧。该泡沫金属的成分包括金、银、铜、镍、锡、铅中的一种或多种金属合金。是由金属韧带相互连接的随机开放单元组成开孔，每个开孔由12-14个五角形或六角形面组成孔隙直径，孔隙密度是每英寸的孔隙数量，范围为5-100，空隙尺度在纳米以及亚微米；孔隙率是样品的重量和体积测定的孔隙体积分数，范围为80％-99％。
31.在泡沫金属的放置过程中，泡沫金属放置于功率芯片表面源极电极中央区域，且泡沫金属的长宽尺寸小于功率芯片的源极长宽尺寸，具体的，泡沫金属的长宽尺寸与功率芯片源极长宽尺寸的差值为1-3mm，这是因为在上下pcb板间施加压力及高温环境时，泡沫金属将会被压缩，泡沫金属尺寸外延将会扩大。
32.基于金属泡沫密度低、比表面积大、导热系数高，机械强度高、刚度好等特点，通过泡沫金属实现功率芯片与pcb基板之间的连接，能够达到较高的稳定性及散热性。
33.最后，在泡沫金属远离功率芯片的一侧放置第二pcb基板。第二pcb基板与第一pcb基板相对设置，进一步地，在该第二pcb基板与泡沫金属的连接面设置有金属镀层，金属镀层的材质包括金、银、铜、镍、铝中的一种及金属合金，利用金属镀层可实现泡沫金属与第二pcb板表面直接实现金属键合连接，提升键合强度。
34.步骤s102,搭接结构通过温度工艺曲线，将泡沫金属与功率芯片进行连接，以及将泡沫金属与第二pcb基板进行连接。
35.其中，该温度曲线工艺处理包括将搭接结构放置于密封装置中经过一定温度工艺曲线实现泡沫金属的致密化连接。该密封装置包括压力控制单元和温度控制单元，用户可通过压力控制单元调整密封装置中的工艺压力，通过温度控制单元控制密封装置中的工艺温度。进一步地，温度控制单元还可控制密封装置内温度上升的速率，并设置有温度感应设备用于检测当前温度。
36.在需要进行泡沫金属与功率芯片的连接，以及泡沫金属与第二pcb基板之间的连接时，将完成拼接的搭接结构放置于密封装置中，并在工艺压力为0.5-10mpa的压力下，控制工艺温度经室温逐步上升至100-250℃的温度阈值，并在所述温度阈值下保持30-150分钟，泡沫金属内部孔径壁上金属受较大表面能影响，熔点远低于固体金属，泡沫金属在该工艺温度范围和该工艺压力范围作用下实现孔径尺寸的缩小与闭合，过大的工艺温度与工艺压力将会对pcb基板带来损害。
37.作为本发明的其中一种实施方式，其中温度工艺曲线处理的工艺压力为2mpa，在该2mpa的工艺压力下，工艺温度经室温逐步上升至150℃，并在150℃的工艺温度下保持100分钟，以完成泡沫金属与功率芯片之间的连接，以及完成泡沫金属与第二pcb基板之间的连接。
38.作为本发明的其中一种实施方式，其中温度工艺曲线处理设置有两个工艺处理窗口，其中第一个工艺处理窗口为：温度工艺曲线处理的工艺压力为1mpa，在该1mpa工艺压力
下，工艺温度经室温逐步上升至130℃，并在130℃的工艺温度下保持40分钟；第二个工艺处理窗口：调整密封设备的压力值至2.5mpa，并在该2.5mpa工艺压力下，继续升高工艺温度，直至密封装置内的工艺温度达到190℃，在190摄氏度的工艺温度下保持90分钟，以完成泡沫金属与功率芯片之间的连接，以及完成泡沫金属与第二pcb基板之间的连接，对多个工艺窗口的设置，是考虑到泡沫金属晶粒在不同尺寸时由于微观环境以及晶粒尺寸不同，具有不同的原子迁移速率。
39.作为本发明的其中一种实施方式，其中温度工艺曲线处理还可设置有多个工艺处理窗口，每个工艺处理窗口对应于不同工艺温度和工艺压力的组合。
40.需要说明的是，在上述实施例中，温度工艺曲线处理对应的升温速率为0.1℃
·
s-1，以实现一个匀速的温度切换。以上所需工艺压力实质上是对第一pcb基板和第二pcb基板施加一定的压力，因此，在工艺处理装置中亦可选用非封闭处理装置，应当理解，只需满足能够对第一pcb基板和第二pcb基板分别施加一个压力，并能够实现温度控制的设备均属于本发明的保护范围内。
41.步骤s103,在第一pcb基板和第二pcb基板之间注入高分子材料进行密封固化处理。
42.其中，在进行固化处理的过程中需要提供固化模具用于放置完成连接的搭接结构。第一pcb基板和第二pcb基板相对，功率芯片与泡沫金属的长度小于第一pcb基板和第二pcb基板的长度，以致形成，第一pcb基板和第二pcb基板之间存在空隙带。进一步地，在第一pcb基板和第二pcb基板之间注入高分子材料进行密封固化处理，形成固化层以实现功率芯片的封装，其中，高分子材料包括分子链重复单元含有环氧官能团或者硅亚甲基基团的高分子材质，如不同组分共混的环氧树脂或者硅凝胶，其中，固化处理包括热固化处理、光固化处理中的其中一种，固化处理时间为30分钟左右。
43.如图2所示为本实施例提供的一种基于结构显示的连接流程，对应于第一阶段，在通过第一pcb基板10、功率芯片30、泡沫金属40、第二pcb基板60形成搭接结构之前，预先通过焊接工艺将功率芯片30焊接于第一pcb基板10的一侧，此时，第一pcb基板10与功率芯片30形成固定连接。其中，在第一pcb基板10和功率芯片30之间设置有焊料20。
44.对应于第二阶段，放置泡沫金属40于功率芯片30远离第一pcb基板10的一侧，并在泡沫金属40远离功率芯片30的一侧放置第二pcb基板60，此时，泡沫金属40与功率芯片30，泡沫金属40与第二pcb基板60之间还未形成固定连接，可近似看为堆放形成搭接结构，进一步地，在完成所示搭接结构后对该搭接结构进行温度工艺曲线处理，在温度工艺曲线处理后，功率芯片30和第二pcb基板60之间通过泡沫金属40进行连接。其中，在第二pcb基板60对应于泡沫金属40的连接面上还设置有金属镀层50。
45.对应于第三阶段，在完成功率芯片30与第二pcb基板60之间的连接后，在第一pcb基板10和第二pcb基板60之间填充高分子固化材料，所形成的固化层70如图所示，固化层70用于包裹功率芯片30及泡沫金属40；以实现对功率芯片30的封装。
46.综上，本发明提供了一种功率芯片与pcb基板之间的连接工艺，基于泡沫金属以实现芯片与pcb板互连，使用金属泡沫作为在印刷电路板内嵌的功率模具的顶部和电路的其余部分之间的压触点，能更好的实现连接界面的应力释放，实现高可靠性互连；与相关技术中其他pcb集成技术相比，所提出的的连接工艺简单且不需要其他过于复杂的流程；另外，
与引线键合连接相比，具有更低的杂散电感，不需要昂贵的设备，具有成本效益。
47.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。