一種高溫碳化矽功率器件封裝結構及其製備方法
2023-05-15 16:40:21
一種高溫碳化矽功率器件封裝結構及其製備方法
【專利摘要】本發明實施例提供了一種高溫碳化矽功率器件封裝結構及製備方法，涉及半導體器件封裝領域，可以有效地增強器件壽命，提高器件穩定性，同時降低成本，簡化工藝。所述封裝結構包括：金屬正電極(1)、金屬負電極(3)以及所述金屬正電極(1)與所述金屬負電極(3)之間的碳化矽功率器件(2)，粘結層上層導熱金屬層(4)，粘結層下層導熱金屬層(7)，封裝基板(8)，粘結所述金屬負電極(3)與所述封裝基板(8)的粘結層(5)，在所述粘結層(5)中形成的多個導熱窗口(6)，多個所述導熱窗口(6)在所述粘結層(5)中分布成陣列結構；散熱器(10)以及與封裝基板(8)之間的粘合層(9)。封裝外殼，以及外部引腳。
【專利說明】一種高溫碳化矽功率器件封裝結構及其製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體器件封裝領域，尤其涉及一種高溫碳化矽功率器件封裝結構及 其製備方法。
【背景技術】
[0002] 器件功率和器件功率密度會伴隨著電子器件性能提升而增加，使得電子器件在性 能提升的同時面臨著散熱方面的嚴重挑戰。對於碳化矽（SiC)高溫器件和集成電路來說， 其工作溫度高，穩定工作的溫度範圍大，在高溫條件下具有相當的優越性，因此，研究它的 溫度可靠性具有重要意義。
[0003] 商業化公司提供的碳化矽器件的結溫一般不超過175°C，更近一步的提高工作溫 度需要大力發展其高溫封裝結構和材料。有文獻已經證明，基於碳化矽材料的功率器件能 正常工作在高於500°C，但是，今天為矽器件設計的封裝技術有很大溫度限制，在很多應用 場合中，例如航空航天等極端環境條件下，更對這種技術有強烈需求。發展這種高性能封 裝，必須從封裝結構及其材料入手進行研究，以滿足碳化矽器件在高溫下工作的需求。分立 功率器件在工業界具有很廣的商用可選封裝封裝的選擇取決於幾個因素，包括裸晶片器件 的尺寸、最大的功耗和電路的應用。一個傳統的分立功率器件封裝技術常常採用鉛或無鉛 焊接合金把器件的一個端面貼合在熱沉襯底上，另外的端面與鋁線或金線鍵合在一起。因 為工藝簡單，成本低的優勢。這種封裝技術在目前的功率電子封裝中還是佔主導地位。
[0004] 器件封裝的熱性能取決於器件和封裝材料的幾何形式與體熱導率，選擇使用的粘 結層材料的熱導率遠低於器件本身和散熱基板，這往往削弱了碳化矽相比於傳統半導體器 件在良好熱特性方面的優勢，對於高溫領域的應用，其影響往往成為擴大晶片封裝熱阻、導 致器件熱退化甚至熱損壞的重要因素。
【發明內容】
[0005] 本發明的實施例提供一種高溫碳化矽功率器件封裝結構及其製備方法，可以有效 地增強器件壽命，提高器件穩定性，同時降低成本，簡化工藝。
[0006] 為達到上述目的，本發明的實施例採用如下技術方案：
[0007] -種高溫碳化矽功率器件封裝結構，包括：
[0008] 金屬正電極（1)、金屬負電極（3)以及所述金屬正電極（1)與所述金屬負電極（3) 之間的碳化矽功率器件（2)，粘結層上層導熱金屬層（4)，粘結層下層導熱金屬層（7)，封裝 基板（8)，粘結所述金屬負電極（3)與所述封裝基板（8)的粘結層（5)，在所述粘結層（5) 中形成的多個導熱窗口（6)，多個所述導熱窗口（6)在所述粘結層（5)中分布成陣列結構； 散熱器（10)以及與封裝基板（8)之間的粘合層（9);封裝外殼，以及外部引腳。
[0009] 可選的，所述金屬正電極（1)材料為Al/Ti、金屬負電極（3)材料為Ni、粘結層（5) 為錫鉛銀焊料、導熱窗口（6)材料為高熱導率石墨。
[0010] 可選的，所述粘結層上層導熱金屬層（4)，粘結層下層導熱金屬層（7)是金屬Cu或 金屬Au材料。
[0011] 可選的，所述粘結層（5)中開有的導熱窗口（2)的形狀為圓柱體或者，所述粘結層 (5)中開有的導熱窗口（2)的形狀為長方體，或者，所述粘結層（5)中開有的導熱窗口（2) 的形狀為三稜柱體。
[0012] 可選的，多個所述導熱窗口（2)在所述粘結層（5)中分布成對稱陣列：5-6_5、 5-5-5、3-5-5-3、或不對稱陣列 2-4-6-3。
[0013] 可選的，所述導熱窗口（2)的厚度小於或等於粘結層（5)的厚度。
[0014] 一種上述的高溫碳化矽功率器件封裝結構的製備方法，其特徵在於，所述方法包 括以下步驟：
[0015] 1)在碳化矽功率器件（2)的正反面分別金屬化金屬電極，形成金屬正電極（1)和 金屬負電極（3);
[0016] 2)分別在所述碳化矽功率器件（2)的金屬負電極（3)和封裝基板（8)上形成粘結 層上層導熱金屬層（4)和粘結層下層導熱金屬層（7)，製作金屬層時採用金屬薄膜製造方 法，所述金屬薄膜製造方法為真空蒸鍍法、磁控濺射法、離子鍍法、直流濺射鍍膜法、離子束 濺射鍍膜法、射頻濺射鍍膜法、等離子增強化學氣相沉積法、雷射脈衝沉積法、脈衝等離子 體方法、脈衝雷射方法、電子束蒸發法、電鍍法中的一種或者幾種方式；
[0017] 3)在步驟2)形成的所述的粘結層上層導熱金屬層（4)上製造石墨薄膜，採用含氫 等離子體對石墨進行各向異性刻蝕出權利要求6所述形狀的導熱窗口（6)，根據含氫等離 子體對石墨各個方向的刻蝕速度不一樣的特性實現；
[0018] 4)將所述步驟3)中形成的器件通過形成的粘結層（5)貼裝在粘結層下層導熱 金屬層（7)上，貼裝方式主要有4種：共晶粘貼法、焊接粘貼法、導電膠粘貼法、玻璃膠粘貼 法；
[0019] 5)使用粘合劑粘合散熱器（10)，在所述散熱器（10)與所述封裝基板（8)之間形 成粘合層（9)。
[0020] 上述技術方案提供的高溫碳化矽功率器件封裝結構及其製備方法，在粘結層中設 置具有高熱導率的石墨材料形成的導熱窗口陣列結構，通過碳化矽功率器件與基板排布導 熱窗口陣列的方式在熱導率相對較低的粘結層中設置通道，有效地將碳化矽功率器件產生 的熱量從工作區導出，在散熱基板結合高熱導性能材質的鰭形散熱片使得熱量能夠迅速散 發從而降低器件工作區的溫度。
[0021] 本發明中提供的封裝結構既保證了器件晶片與基板之間的有效接觸，又解決了碳 化矽器件因粘結層熱導率低導致器件損壞的問題，有效地增強器件壽命，提高器件穩定性， 同時降低成本，簡化工藝。並且，本發明中提供的粘結層結構，能夠推廣到其他高溫器件的 應用中去，以獲得更優的器件性能。
[0022] 另外，本發明中還新添加了兩層整層的導熱金屬層，加入兩層金屬導熱層之後， 器件的金屬負電極不再直接與封裝基板接觸，粘結層直接粘結上下導熱金屬層，新加導熱 金屬層的目的在於分散器件中心密度較為集中的熱流，有提高各個導熱窗口傳輸效率的作 用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明實施例提供的一種高溫碳化矽功率器件封裝結構的主視圖；
[0024] 圖2為本發明實施例提供的一種封裝結構中長方體導熱窗口的陣列俯視分布圖；
[0025] 圖3為本發明實施例提供的一種封裝結構中圓柱體導熱窗口的陣列俯視分布圖；
[0026] 圖4為本發明實施例提供的一種封裝結構中三稜柱體導熱窗口的陣列俯視分布 圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0028] 本發明實施例提供了一種高溫碳化矽功率器件封裝結構，如圖1所示，包括：金屬 正電極（1)、金屬負電極（3)以及所述金屬正電極（1)與所述金屬負電極（3)之間的碳化矽 功率器件（2)，粘結層上層導熱金屬層（4)，粘結層下層導熱金屬層（7)，封裝基板（8)，粘結 所述金屬負電極（3)與所述封裝基板（8)的粘結層（5)，在所述粘結層（5)中形成的多個導 熱窗口（6)，多個所述導熱窗口（6)在所述粘結層（5)中分布成陣列結構；散熱器（10)以 及與封裝基板（8)之間的粘合層（9)。封裝外殼（圖中未顯示），以及外部引腳（圖中未顯 示）。
[0029] 本發明中所述碳化矽功率器件的金屬正電極（1)作為器件的正向電壓的連接層， 它要求有較好的導電性能。通常可以採用高功函數的金屬材料（如金、銅、銀、鉬等），本發 明結構中採用鋁/鈦層實現，以保證有較好的歐姆接觸。碳化矽功率器件的金屬負電極（3) 作為器件負向電壓的連接層，它要求具有較好的導電性能，一般採用金屬鎳來實現有效的 導電連接。
[0030] 本發明中導熱窗口（6)材料為石墨。所述石墨的導熱係數約是銅的4倍，是錫鉛 銀焊料的近20倍，在石墨晶體中，同層的碳原子以sp2雜化形成共價鍵，每一個碳原子以三 個共價鍵與另外三個原子相連。六個碳原子在同一個平面上形成了正六連連形的環，伸展 成片層結構，這裡C-C鍵的鍵長皆為142pm，這正好屬於原子晶體的鍵長範圍，因此對於同 一層來說，它是原子晶體。在同一平面的碳原子還各剩下一個P軌道，它們相互重疊。電子 比較自由，相當於金屬中的自由電子，所以石墨能導熱和導電，這正是金屬晶體特徵。因此 也歸類於金屬晶體。石墨晶體中層與層之間相隔340pm，距離較大，是以範德華力結合起來 的，即層與層之間屬於分子晶體。但是，由於同一平面層上的碳原子間結合很強，極難破壞， 所以石墨的熔點也很高，化學性質也穩定。鑑於它的特殊的成鍵方式，不能單一的認為是單 晶體或者是多晶體，按現代的表述方式，認為石墨是一種混合晶體。石墨由於其特殊結構， 而具有如下特殊性質：1)耐高溫性：石墨的熔點為3850±50°C，沸點為4250°C，即使經超高 溫電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹係數也很小。石墨強度隨溫度提高而加強，在2000°C 時，石墨強度提高一倍。2)導電、導熱性：石墨的導電性比一般非金屬礦高一百倍。導熱性 超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。石墨能夠導電是因為石墨中每個碳原子與其他碳原子只形成3 個共價鍵，每個碳原子仍然保留1個自由電子來傳輸電荷。3)化學穩定性：石墨在常溫下 有良好的化學穩定性，能耐酸、耐鹼和耐有機溶劑的腐蝕。
[0031] 本發明中所述，粘結層（5)內導熱窗口（6)的形狀有圖2、圖3和圖4三種不同的 形狀，圖2所示的俯視圖中，所述粘結層（5)中開有的導熱窗口（6)的形狀為圓柱體。圖3 所示的俯視圖中，所述粘結層（5)中開有的導熱窗口（6)的形狀為長方體。圖4所示的俯 視圖中，所述粘結層（5)中開有的導熱窗口（6)的形狀為三稜柱體。
[0032] 圖2-圖4所示的三種窗口都能有效地將工作區產生的耗散熱量傳導至散熱器 (10)進行散熱。
[0033] 如圖2-圖4所示，多個所述導熱窗口（6)在所述粘結層（5)中分布成對稱陣列： 5-6-5,即如圖2-圖4所不，共設置有3列導熱窗口，前後兩列中每列都設置5個導熱窗口 (6)，中間一列設置有6個導熱窗口（6)。
[0034] 當然，所述導熱窗口的陣列分布方式可以根據需要進行其它設計，例如，設計為 5-5-5、3-5-5-3、或不對稱的2-4-6-3等等，在此並不做限制。
[0035] 碳化矽功率器件（2)工作時，熱量從碳化矽功率器件（2)處傳來，熱量通過導熱窗 口（6)最終傳導到散熱器（10)上，導熱窗口（6)到散熱器（10)的散熱翅片傳遞的過程中 保證熱量傳輸更加充分的進行。
[0036] 在本發明提供的結構中，所述導熱窗口（6)的厚度小於或等於粘結層（5)的厚度， 以保證粘結可靠性。
[0037] 需要說明的是，上述提供的封裝結構，其不但可以用於與碳化矽器件模塊一體封 裝，還可以用於與其他半導體功率器件一體封裝，從而達到高散熱效果的提升。
[0038] 本發明實施例還提供了一種上述封裝結構的製備方法，參考圖1所示的結構，所 述方法包括以下步驟：
[0039] 1)在碳化矽功率器件（2)的正反面分別金屬化金屬電極，形成金屬正電極（1)和 金屬負電極（3)。
[0040] 2)分別在所述碳化矽功率器件⑵的金屬負電極（3)和封裝基板⑶上形成粘結 層上層導熱金屬層（4)和粘結層下層導熱金屬層（7)，製作金屬層時採用金屬薄膜製造方 法，所述金屬薄膜製造方法為真空蒸鍍法、磁控濺射法、離子鍍法、直流濺射鍍膜法、離子束 濺射鍍膜法、射頻濺射鍍膜法、等離子增強化學氣相沉積法、雷射脈衝沉積法、脈衝等離子 體方法、脈衝雷射方法、電子束蒸發法、電鍍法中的一種或者幾種方式。
[0041] 3)在步驟2)形成的所述的粘結層上層導熱金屬層（4)上製造石墨薄膜，採用含氫 等離子體對石墨進行各向異性刻蝕出權利要求6所述形狀的導熱窗口（6)，根據含氫等離 子體對石墨各個方向的刻蝕速度不一樣的特性實現。
[0042] 本發明中，所述採用含氫等離子體對石墨或石墨烯的表面進行各向異性刻蝕，是 利用了含氫等離子體和石墨在特定條件下反應進行的，該特定條件為：反應溫度：230? 500°C，氣壓：0. 3?0. 4Torr，氫等離子體功率：80?100W，刻蝕速度：5nm/分鐘。
[0043] 4)將所述步驟3)中形成的器件通過形成的粘結層（5)貼裝在粘結層下層導熱金 屬層（7)上，貼裝方式主要有4種：共晶粘貼法、焊接粘貼法、導電膠粘貼法、玻璃膠粘貼法。
[0044] 5)使用粘合劑粘合散熱器（10)，在所述散熱器（10)與所述封裝基板（8)之間形 成粘合層（9)。
[0045] 以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何 熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵 蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。
【權利要求】
1. 一種高溫碳化矽功率器件封裝結構，其特徵在於，包括： 金屬正電極（1)、金屬負電極（3)以及所述金屬正電極（1)與所述金屬負電極（3)之 間的碳化矽功率器件（2)，粘結層上層導熱金屬層（4)，粘結層下層導熱金屬層（7)，封裝基 板（8)，粘結所述金屬負電極（3)與所述封裝基板（8)的粘結層（5)，在所述粘結層（5)中 形成的多個導熱窗口（6)，多個所述導熱窗口（6)在所述粘結層（5)中分布成陣列結構；散 熱器（10)以及與封裝基板⑶之間的粘合層（9);封裝外殼，以及外部引腳。
2. 根據權利要求1所述的結構，其特徵在於，所述金屬正電極（1)材料為Al/Ti、金屬 負電極（3)材料為Ni、粘結層（5)為錫鉛銀焊料、導熱窗口（6)材料為高熱導率石墨。
3. 根據權利要求1所述的結構，其特徵在於，所述粘結層上層導熱金屬層（4)，粘結層 下層導熱金屬層（7)是金屬Cu或金屬Au材料。
4. 根據權利要求1所述的結構，其特徵在於，所述粘合層（9)為導熱矽膠材料。
5. 根據權利要求1所述的結構，其特徵在於，所述封裝基板（8)為銅材料、氧化鋁陶瓷 材料、氮化矽陶瓷材料、金剛石材料或者玻璃陶瓷材料中的一種。
6. 根據權利要求1所述的結構，其特徵在於，所述粘結層（5)中開有的導熱窗口（6)的 形狀為圓柱體、長方體或三稜柱體。
7. 根據權利要求1-5任一項所述的結構，其特徵在於，多個所述導熱窗口（6)在所述粘 結層（5)中分布成對稱陣列：5-6-5、5-5-5、3-5-5-3、或不對稱陣列2-4-6-3。
8. 根據權利要求1-5任一項所述的結構，其特徵在於，所述導熱窗口（6)的厚度小於或 等於粘結層（5)的厚度。
9. 一種權利要求1-8所述的高溫碳化矽功率器件封裝結構的製備方法，其特徵在於， 所述方法包括以下步驟： 1) 在碳化矽功率器件（2)的正反面分別金屬化金屬電極，形成金屬正電極（1)和金屬 負電極（3); 2) 分別在所述碳化矽功率器件（2)的金屬負電極（3)和封裝基板（8)上形成粘結層上 層導熱金屬層（4)和粘結層下層導熱金屬層（7)，製作金屬層時採用金屬薄膜製造方法，所 述金屬薄膜製造方法為真空蒸鍍法、磁控濺射法、離子鍍法、直流濺射鍍膜法、離子束濺射 鍍膜法、射頻濺射鍍膜法、等離子增強化學氣相沉積法、雷射脈衝沉積法、脈衝等離子體方 法、脈衝雷射方法、電子束蒸發法、電鍍法中的一種或者幾種方式； 3) 在步驟2)形成的所述的粘結層上層導熱金屬層（4)上製造石墨薄膜，採用含氫等離 子體對石墨進行各向異性刻蝕出權利要求6所述形狀的導熱窗口 ￠)，根據含氫等離子體 對石墨各個方向的刻蝕速度不一樣的特性實現； 4) 將所述步驟3)中形成的器件通過形成的粘結層（5)貼裝在粘結層下層導熱金屬層 (7)上，貼裝方式主要有4種：共晶粘貼法、焊接粘貼法、導電膠粘貼法、玻璃膠粘貼法； 5) 使用粘合劑粘合散熱器（10)，在所述散熱器（10)與所述封裝基板（8)之間形成粘 合層（9)。
【文檔編號】H01L23/31GK104124217SQ201410339911
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】張藝蒙, 李家昌, 宋慶文, 王悅湖, 張玉明, 湯曉燕, 賈仁需 申請人:西安電子科技大學