一種功率電子器件雙面粘接結構及製備方法
2023-04-23 01:50:11 2
專利名稱：一種功率電子器件雙面粘接結構及製備方法
技術領域：
本發明涉及功率電子器件封裝技術領域，特別是一種晶片雙面粘接基板的結構及方法，通過加入金屬管層調節晶片厚度不等及雙面粘接的殘餘熱應力，實現多晶片雙面粘接的電子器件。
背景技術：
目前國內功率電子器件中，封裝型式主要為晶片與基板的的單面連接或雙面連接，連接方法主要是採用回流焊，導電膠或焊膏實現。晶片與基板的單面連接結構中，熱量的傳遞方向主要是由晶片到基板的單方向傳遞，加之連接層的較大熱阻，散熱能力非常有限，大大限制了功率電子器件的封裝功率及晶片的工作效率。採用晶片直接雙面連接基板可大大提高散熱能力，但晶片承受應力及殘餘熱應力較大，容易造成晶片碎裂損壞 而使功率電子器件失效，成品率低，不適於工業應用及生產。多晶片封裝時，一是晶片受力更加不均勻導致晶片失效可能性更大，二是晶片厚度的不等無法採用直接雙面粘接結構封裝功率電子器件。因此，這兩種方法的效率都不高且應用範圍非常有限，不滿足當今功率電子器件大功率封裝的要求。為此有必要研究新的方法或結構，解決封裝中的各種難題，同時實現功率電子器件雙面粘接及多晶片大功率封裝。
發明內容
本發明的目的在於針對上述技術中的不足做出改進，即本發明要解決的技術問題是提出一種功率電子器件雙面粘接的新結構及新方法，這種結構不僅能夠在增強晶片散熱能力的同時，改善晶片上殘餘熱應力分布，起到保護晶片的作用，而且能夠實現不等厚度晶片的多級晶片封裝功率電子器件。為解決上述問題，本發明提出新的技術方案，具體技術如下一種功率電子器件雙面粘接結構，在晶片與一側基板之間設置有金屬管層，金屬管的數量大於等於2，金屬管間的中心間距P大於金屬管直徑D，金屬管長度L小於等於晶片尺寸；兩塊基板上塗刷的連接材料尺寸大於等於晶片尺寸。所述的金屬管材料為銀或銅。所述的連接材料為焊膏或焊料。所述焊膏為納米銀焊膏或導電銀膠，焊料為金錫焊料。所述的結構包括一個上基板，一個下基板，三層連接材料，金屬管子以及若干個厚度任意不等的多種晶片組成，晶片厚度相差不超過所選金屬管子的管徑；上基板通過連接材料與晶片直接相連，晶片另一側通過連接材料與金屬管相連，金屬管又通過連接材料與下基板相連。本發明的功率電子器件雙面粘接結構的製備方法，先在兩塊基板及晶片上分別塗刷焊膏或導電膠，經乾燥後，再在其中一塊基板的連接材料上，粘接晶片未塗連接材料的一偵U，在晶片連接材料上排布金屬管，最後將附有連接材料的上基板連接到晶片與金屬管及下基板部分，完成晶片雙面粘接基板結構；進行連接材料的燒結成型，進行壓力輔助燒結，將製成的晶片雙面冷卻結構放入平板熱壓機內，施加壓力使上下基板平行以便於下一步封裝，並同時進一步使管子發生變形，管子橫截面變為近似橢圓形。所述的輔助燒結，燒結時間為5 15分鐘，洩壓後進一步燒結的燒結溫度大於熱壓溫度，燒結時間為5 10分鐘。進行連接材料的燒結成型過程中，進行壓力輔助燒結，將製成的晶片雙面冷卻結構放入平板熱壓機內，施加相應的壓力使上下基板平行以便於下一步封裝，並同時進一步使管子發生變形，管子橫截面變為近似橢圓形，以增大管子與晶片的接觸面積，增加熱導能力。壓力輔助燒結後進行進一步燒結以提高粘接強度，增加連接機械可靠性。在本發明中，鋪設的金屬管的長度L略小於對應方向的晶片長度以保證連接可靠和結構緊湊，金屬管的直徑D小於晶片對應寬度的1/4以便有足夠的接觸面積保證傳熱，同時也儘可能增加管數均衡晶片上的應力分布。金屬管間的中心間距P大於管外徑，以保證 在壓縮變形階段，管子有足夠的空間產生變形而不破壞連接層，從而在使用過程中，管子層可小幅自由變形改善晶片承受應力狀況。此外，在上述技術方案中，晶片可為單片雙面封裝，僅改善應力分布狀況提高晶片壽命，也可為厚度相同的多片，改善各晶片及結構整體承受應力狀況。本方案最值得一提的優點是可以將多片不同厚度的晶片進行雙面粘接，厚度不等由各管層的不等變形來補充和調節，為功率電子器件向高功率密度及高集成度發展提供了方法，能解決當今電子封裝過程中的難題。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細說明，其中圖I為本發明多晶片雙面粘接結構一種實施方式的結構組成示意圖；圖2為本發明的焊膏塗刷方法示意圖；圖3為本發明多晶片雙面粘接結構的一種實施方式的燒結成型結構俯視圖；圖4為本發明多晶片雙面粘接結構一種實施方式的燒結成型結構主視圖剖面圖；圖5為本發明多晶片雙面粘接結構一種實施方式的燒結成型結構的左視圖。圖6為本發明多晶片雙面粘接結構另一種實施方式的燒結成型結構主視示意圖。圖7為本發明多晶片雙面粘接結構另一種實施方式的燒結成型結構俯視示意圖。圖中1基板、2連接材料納米銀焊膏(燒結納米銀)、3薄晶片、4厚晶片、5金屬管
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明的具體實施方式
作詳細說明。如圖I 6所示採用了如下一種新方法實現晶片雙面粘接，即在晶片與一側基板之間鋪設金屬管層，金屬管直徑D，中心間距P和金屬管長度L可以根據晶片尺寸及使用要求進行選擇和調節，金屬管材料為軟金屬材料。結構包括一個上基板，一個下基板，三層連接材料，若干個厚度可不等的晶片以及金屬管子。上基板通過連接材料與晶片直接相連，晶片另一側通過連接材料與金屬管相連，金屬管又通過連接材料與下基板相連。
先在兩塊基板及晶片上分別塗刷焊膏或導電膠，經乾燥後再在其中一塊基板的連接材料上粘接晶片未塗連接材料的一側，在晶片連接材料上排布金屬管，最後將附有連接材料的上基板連接到晶片與金屬管及下基板部分，完成晶片雙面粘接基板結構。進行連接材料的燒結成型過程中，進行壓力輔助燒結，將製成的晶片雙面冷卻結構放入平板熱壓機內，施加相應的壓力使上下基板平行以便於下一步封裝，並同時進一步使管子發生變形，管子橫截面變為近似橢圓形，以增大管子與晶片的接觸面積，增加熱導能力。壓力輔助燒結後進行進一步燒結以提高粘接強度，增加連接機械可靠性。在本發明中，鋪設的金屬管的長度L略小於對應方向的晶片長度以保證連接可靠和結構緊湊，金屬管的直徑D小於晶片對應寬度的1/4以便有足夠的接觸面積保證傳熱，同時也儘可能增加管數均衡晶片上的應力分布。金屬管間的中心間距P大於管外徑，以保證在壓縮變形階段，管子有足夠的空間產生變形而不破壞連接層，從而在使用過程中，管子層 可小幅自由變形改善晶片承受應力狀況。實施例I由圖I所示結構組成部件圖可知該多組晶片雙面粘接結構包含面積50x50mm2厚I. 2mm上下兩個DBC基板I，三層初始厚度為90um的納米銀焊膏2，兩組面積13. 5x13. 5mm2晶片薄晶片3 — IGBTs，厚O. 35mm及厚晶片4一Diodes厚O. 50mm,以及外徑I. 6mm,壁厚
0.3mm,長約IOmm銀管子5.該結構的封裝程序為I.在上下兩個基板上分別貼膠帶，然後塗刷略大於晶片面積的納米銀焊膏，焊膏塗刷厚度為90um，如圖2所示；2.將塗刷好納米銀焊膏的基板放在加熱臺上乾燥，乾燥溫度為70°C，時間為10分鐘。3.經乾燥後在圖I所示的下基板上鋪設銀管層，管子中心間距分別為1.93mm和I. 95mm,上方對應薄晶片的管子中心間距為I. 93mm,對應厚晶片的管子中心間距為
1.95mm.4.上基板上納米銀焊膏經在加熱臺上乾燥後，分別將兩組晶片如圖3所示對角排布，粘結在上基板上。5.分別在連接於上基板上的四個晶片表面塗刷納米銀焊膏塗刷方法同圖2所示，焊膏初始厚度為90um。6.將下基板粘結好的銀管層結構粘接到晶片表面，組成如圖I和圖4順序結構。7.將粘結好的雙面粘接結構放入水平熱壓機中進行熱壓及焊膏初步燒結，熱壓溫度為225°C，熱壓時間為10分鐘，壓力為3MPa。熱壓結束後結構如圖4所示。8.將雙面粘接結構移至加熱臺進行進一步燒結成型，燒結溫度300°C，燒結時間10分鐘。9.燒結完畢後，將結構隨爐冷卻至室溫。依照上述順序封裝燒結完成之後，即可得到如圖3，4和5所示的結構。圖3所示為為減小不等厚度晶片引起的封裝的應力場分布不均情況而採用的晶片中心對稱分布方式。其中，晶片之間的間距可根據實際使用進行調整。在本實施方案中，各晶片間距均為11mm。
圖4是該多組晶片雙面粘接結構的全剖主視圖。如圖所示，經熱壓燒結成型的結構中，首先上下基板均為相互平行且垂直於重力方向的平面。其次，銀管子均發生了形變，且不同厚度晶片下的銀管層分別產生了不同程度的形變，彌補了晶片厚度不等帶來的封裝困難。第三，變形後的管子與管子之間仍有空隙，保證了管子仍可發生形變，以釋放晶片承受的殘餘熱應力及其後期正常工作中可能產生的應力，充分提高了結構及晶片工作的可靠性。第四，變形後的管子與銀焊膏及晶片的接觸面積增大，有效保證了晶片上產生熱量的快速傳導，彌補了增加管層對結構導熱的削弱。圖5所示為成型後結構的左視圖。由圖可看出管子長度IOmm小於晶片長度13. 5mm，在本具體實施方案中其主要目的是在保證可靠性的基礎上方便粘接，保持結構緊湊。實施例2 結構組成及封裝程序等條件同具體實施方式
1，不同的是將圖1、4和5中的金屬管 5材料為純銅材料。實施例3 結構組成及封裝程序等條件同具體實施方式
1，不同的是DBC基板面積為20x50mm2,兩個面積及厚度均不等的晶片晶片3,厚O. 35mm,大小為15mmxl5mm,晶片4厚O. 50mm,大小為10mmx5mm,如圖6及圖7所不。圖6所示為本具體實施方式
成型後結構的正視圖。由圖可看出晶片3與晶片4厚度與寬度不等，本具體實施方案主要用於封裝厚度及尺寸均不同的多組晶片。圖7所示為本具體實施方式
成型後結構的俯視圖。由圖可看出晶片3與晶片4平面尺寸的不等，同時也可看出，無論晶片是正方形還是長方形，本發明均可適用。本發明不局限於上述具體實施方式
，只要雙面封裝結構中運用了管子層匹配厚度不等及改善應力分布狀況，不論封裝多少晶片，基板晶片焊膏及管子採用什麼材料，各幾何尺寸、封裝尺寸及結構尺寸如何選擇，採用何種形狀，均落在本發明的保護範圍之中。
權利要求
1.一種功率電子器件雙面粘接結構，其特徵是在晶片與一側基板之間設置有金屬管層，金屬管的數量大於等於2，金屬管間的中心間距P大於金屬管直徑D，金屬管長度L小於等於晶片尺寸；兩塊基板上塗刷的連接材料尺寸大於等於晶片尺寸。
2.如權利要求I所述的結構，其特徵是所述的金屬管材料為銀或銅。
3.如權利要求I所述的結構，其特徵是所述的連接材料為焊膏或焊料。
4.如權利要求2所述的結構，其特徵是所述焊膏為納米銀焊膏或導電銀膠，焊料為金錫焊料。
5.如權利要求I所述的結構，其特徵是所述的結構包括一個上基板，一個下基板，三層連接材料，金屬管子以及若干個厚度任意不等的多種晶片組成，晶片厚度相差不超過所選金屬管子的管徑；上基板通過連接材料與晶片直接相連，晶片另一側通過連接材料與金屬管相連，金屬管又通過連接材料與下基板相連。
6.權利要求I的功率電子器件雙面粘接結構的製備方法，其特徵是先在兩塊基板及晶片上分別塗刷焊膏或導電膠，經乾燥後，再在其中一塊基板的連接材料上，粘接晶片未塗連接材料的一側，在晶片連接材料上排布金屬管，最後將附有連接材料的上基板連接到晶片與金屬管及下基板部分，完成晶片雙面粘接基板結構；進行連接材料的燒結成型，進行壓力輔助燒結，將製成的晶片雙面冷卻結構放入平板熱壓機內，施加壓力使上下基板平行以便於下一步封裝，並同時進一步使管子發生變形，管子橫截面變為近似橢圓形。
7.權利要求6所述的製備方法，其特徵是所述的輔助燒結，燒結時間為5 15分鐘，洩壓後進一步燒結的燒結溫度大於熱壓溫度，燒結時間為5 10分鐘。
全文摘要
本發明公布了一種功率電子器件雙面粘接結構及製備方法。雙面粘接結構，在晶片與一側基板之間設置有金屬管層，金屬管的數量大於等於2，金屬管間的中心間距P大於金屬管直徑D，金屬管長度L小於等於晶片尺寸；兩塊基板上塗刷的連接材料尺寸大於等於晶片尺寸。該方法是通過在晶片與一側基板連接處加入銀管層來實現。晶片與基板，晶片與銀管以及銀管與基板之間均採用納米銀焊膏粘接。由於晶片厚度不等造成的封裝困難。加入銀管層，使得晶片上的應力分布更加均勻；銀管易於變形的特點，釋放晶片工作過程中產生的應力，起到保護晶片的作用。晶片雙面粘接基板結構可同時實現多晶片封裝，及不等厚度晶片封裝等，提高了結構的封裝功率、熱性能及可靠性。
文檔編號H01L23/488GK102915985SQ201210381140
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月9日 優先權日2012年10月9日
發明者梅雲輝, 連嬌願, 陸國權, 陳旭 申請人:天津大學