一种封装结构及封装键合工艺制造技术

本发明专利技术提供了一种封装结构及封装键合工艺，属于半导体技术领域，第一电源转换芯片和第二电源转换芯片非对称设置于上双面覆铜基板和下双面覆铜基板内侧，第一电源转换芯片和第二电源转换芯片的集电极分别与上双面覆铜基板和下双面覆铜基板的内表面焊接，栅极分别与下双面覆铜基板和上双面覆铜基板内表面焊接。铜夹上端上表面和下表面分别与第一电源转换芯片和第二电源转换芯片的发射极焊接，下端与下双面覆铜基板内表面焊接；上引脚和下引脚分别与上双面覆铜基板和下双面覆铜基板内表面焊接，上引脚与第一电源转换芯片的集电极、发射极和栅极电连接；下引脚与第二电源转换芯片的集电极、发射极和栅极电连接。发射极和栅极电连接。发射极和栅极电连接。

【技术实现步骤摘要】
一种封装结构及封装键合工艺


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种封装结构及封装键合工艺。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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：
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。

技术实现思路

[0007]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种封装结构及封装键合工艺。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种封装结构，包括：
[0010]相对设置的上双面覆铜基板和下双面覆铜基板；
[0011]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。
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]优选的，所述第一垫块和第二垫块的材质为Mo。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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：
[0021]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；
[0022]在第一电源转换芯片上溅射第二层金属M3；
[0023]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。
[0024]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；
[0025]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。
[0026]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。
[0027]本专利技术提供的封装结构及封装键合工艺具有以下有益效果：
[0028]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。
[0029]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的塑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种封装结构，其特征在于，包括：相对设置的上双面覆铜基板(1)和下双面覆铜基板(2)；第一电源转换芯片(3)和第二电源转换芯片(4)，非对称设置于所述上双面覆铜基板(1)和下双面覆铜基板(2)内侧，所述第一电源转换芯片(3)和第二电源转换芯片(4)的集电极(5)分别与所述上双面覆铜基板(1)和下双面覆铜基板(2)的内表面焊接；所述第一电源转换芯片(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)与所述下双面覆铜基板(2)和上双面覆铜基板(1)内表面焊接。铜夹(9)，其上端上表面和下表面分别与所述第一电源转换芯片(3)和第二电源转换芯片(4)的发射极(10)焊接，下端与所述下双面覆铜基板(2)内表面焊接；上引脚(11)和下引脚(12)，分别与所述上双面覆铜基板(1)和下双面覆铜基板(2)内表面焊接，所述上引脚(11)通过上双面覆铜基板(1)的电路与所述第一电源转换芯片(3)的集电极(5)、发射极(10)和栅极(6)电连接；所述下引脚(12)通过下双面覆铜基板(2)的电路与所述第二电源转换芯片(4)的集电极(5)、发射极(10)和栅极(6)电连接。2.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，还包括塑封体(13)，所述塑封体(13)用于包裹所述上双面覆铜基板(1)和下双面覆铜基板(2)的内侧及所述第一电源转换芯片(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。3.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述第一垫块(7)和第二垫块(8)的材质为Mo。4.根据权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述第一垫块(7)上表面与所述第一电源转换芯片(3)的栅极(6)焊接，下表面与所述下双面覆铜基板(2)的内表面连接，所述第二垫块(8)下表面与所述第二电源转换芯片(4)的栅极(6)焊接，上...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖良坤，宋忠孝，钱旦，孟瑜，朱晓东，王永静，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：