一种单片集成的功率模块的封装结构及其制备方法与流程

1.本发明实施例涉及半导体功率模块封装技术领域，具体涉及一种单片集成的功率模块的封装结构及其制备方法。


背景技术：

2.电力电子器件，又称功率器件或功率模块，是主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面的大功率的电子器件(通常指电流为数十至数千安，电压为数百伏以上)，其内部芯片工作时会伴随着巨量的发热。传统的功率芯片都只包含一个晶体管，功率模块的封装大多是在散热底盘上放置覆铜陶瓷基板并贴合，在基板上放置多个单管功率芯片并贴合，采用金属引线连接多个芯片的端口，这是一种被称为多芯片互联模块(mcm)的标准封装方法。进一步地，可以在一个基板的表面刻蚀出凹槽后，又将另一块基板贴合覆盖上去，得到带有微管道的散热底盘，以强化散热能力。然而，这种封装结构至少三层，封装体积较大；而在散热上的表现，尽管在改进结构中底盘有微管道，流通散热工质来带走热量，但芯片到散热板的路径较长，所经过的粘合层也多，使得热阻依然过高，而热容过低，限制了封装在稳态和瞬态时的散热性能。
3.另外在功率模块的封装过程中，需要精确对准芯片的位置，芯片的尺寸很小(长和宽在毫米量级，厚度在10微米量级)，对位置对准的精确度要求很高。另外，芯片比较薄，质地较软，如果采用按压键合或压力辅助烧结来贴合芯片与基板，放置芯片时若不够平稳、精确，芯片就容易因压力损坏。


技术实现要素：

4.为此，本发明实施例提供一种单片集成的功率模块的封装结构及其制备方法，以解决现有技术中存在的封装体积大、散热差、芯片对准精度要求高、贴合芯片容易损坏等问题。
5.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
6.根据本发明实施例的第一方面，提出了一种单片集成的功率模块的封装结构，所述封装结构包括单片集成设置的多管功率芯片和散热底盘，所述多管功率芯片用于通电后提供逻辑运算功能，所述散热底盘用于芯片工作时的散热，所述多管功率芯片和散热底盘之间通过一层粘合剂连接，所述多管功率芯片上集成有多个按照预设绝缘间隔设置的晶体管。
7.进一步地，所述粘合剂包括导体粘合剂和绝缘粘合剂，所述导体粘合剂呈图形化分布设计并与多个晶体管电连接，所述绝缘粘合剂填充设置在导体粘合剂的图形分布空隙处。
8.进一步地，所述散热底盘上刻蚀设置有散热凹槽，所述粘合剂封盖在所述散热凹槽的上方，所述散热凹槽内流通有绝缘散热工质，所述散热凹槽连通有散热工质的进出液口，所述进出液口在所述散热底盘上上下贯通设置。
9.进一步地，所述多管功率芯片上的多个晶体管上分别设置有端口，不同的晶体管之间通过导线连接端口实现电连接，且每个晶体管与下方的导体粘合剂之间通过导线连接端口实现电连接。
10.进一步地，所述封装结构还包括设置在多管功率芯片和散热底盘上方的保护外壳。
11.根据本发明实施例的第一方面，提出了一种单片集成的功率模块的封装结构的制备方法，所述方法包括：
12.在碳化硅基板的上表面加工刻蚀出散热凹槽和进出液口，制成散热底盘；
13.然后对准芯片的绝对位置，将单片集成的多管功率芯片通过粘合剂与散热底盘粘接，并封盖住散热底盘上的散热凹槽；
14.最后使用引线将各晶体管的端口与下方的导体粘合剂电连接。
15.进一步地，所述方法还包括：
16.在进行晶圆布局设计时，将多晶体管的组合作为一个整体，而非单独的一个晶体管，并在组合的内部规划好晶体管的种类与位置，预留足够的绝缘距离，在切割晶圆时，不切割单个晶体管，而是将预设计的多晶体管的组合整体切割下来，即成为多管功率芯片。
17.本发明实施例具有如下优点：
18.1、大幅降低了热阻。传统结构中，芯片到散热底盘内的散热工质至少隔着两层粘合剂以及一层陶瓷基板，本发明的封装结构中芯片与散热底盘内的散热工质之间只有一层粘合剂，经过的界面少，并且散热路径短，热阻低。
19.2、体积小。传统微组装方法模块上下至少三层，导致模块的体积过大。本发明的封装结构上下只有两层，模块的体积可以做得更小。
20.3、对准精度要求低。传统方法中一个功率芯片只含一个晶体管，体积很小，并且与基板贴合时需要控制多个芯片的相对位置，因此要求很高的对准精度(约
±
0.1μm)。本发明的封装结构中只有一个功率芯片，且体积较大，对对准精度的要求低(约
±
10μm)。
21.4、对贴片时的界面连接技术要求低。传统方法中芯片与基板的键合，为了防止很小的芯片被不平整的粘合剂表面破坏，常采用无压烧结，这使得粘合剂比较蓬松，热阻很大。本发明的封装结构中芯片与散热底盘之间可采用按压键合或压力辅助烧结，因为两者的面积都比较大，容易使得受力均匀，而不担心芯片的损伤。
22.5、规避材料晶格缺陷。晶圆工艺中，晶体管与晶体管之间预留一定距离，而非传统方式的紧密相依，在实际生产过程中，可以通过调整晶体管的位置，来规避半导体材料的晶格缺陷区域。
23.6、简化的散热底盘加工方法。传统的散热底盘为了加工出微管道，需要两层基板，在其中一层加工出微管道后，将两层贴合起来构成一个散热板，并在上方贴合功率模块。本发明的封装结构中，散热板只有一层，在上方刻蚀加工出凹槽后，直接将上方单片集成功率模块与之贴合，并封盖住凹槽的顶部，形成微管道。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅
仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
25.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
26.图1为本发明实施例1提供的一种单片集成的功率模块的封装结构的结构示意图；
27.图2为本发明实施例1提供的一种单片集成的功率模块的封装结构的立体分解图；
28.图3为本发明实施例2提供的一种单片集成的功率模块的封装结构的制备方法中多管功率芯片与现有单管功率芯片的制备方法对比图；
29.图中：1、多管功率芯片；2、引线；3、晶体管；4、导体粘合剂；5、进出液口；6、绝缘粘合剂；7、散热底盘；8、凹槽；9、端口；10、外壳；11、晶圆；12、多晶体管的组合。
具体实施方式
30.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.如图1和图2所示，本实施例提出了一种单片集成的功率模块的封装结构，该封装结构包括单片集成设置的多管功率芯片1和散热底盘7，多管功率芯片1用于通电后提供逻辑运算功能，散热底盘7用于芯片工作时的散热，多管功率芯片1和散热底盘7之间通过一层粘合剂连接，多管功率芯片1上集成有多个按照预设绝缘间隔设置的晶体管3，本实例中单片集成的多管功率芯片1是由四个晶体管3构成的。
33.粘合剂包括导体粘合剂4和绝缘粘合剂6，导体粘合剂4呈图形化分布设计并与多个晶体管3电连接，绝缘粘合剂6填充设置在导体粘合剂4的图形分布空隙处。
34.散热底盘7上刻蚀设置有散热凹槽8，粘合剂封盖在散热凹槽8的上方，使散热凹槽8上下密封成为管道，散热凹槽8内流通有绝缘散热工质，散热凹槽8连通有散热工质的进出液口5，进出液口5在散热底盘7上上下贯通设置。
35.多管功率芯片1上的多个晶体管3上分别设置有端口9，不同的晶体管3之间通过导线2连接端口9实现电连接，且每个晶体管3与下方的导体粘合剂4之间通过导线2连接端口9实现电连接。
36.该封装结构还包括设置在多管功率芯片1和散热底盘7上方的保护外壳10，对内部结构起到保护作用。
37.本发明实施例提出的一种单片集成的功率模块的封装结构具有如下优点：
38.1、大幅降低了热阻。传统结构中，芯片到散热底盘内的散热工质至少隔着两层粘合剂以及一层陶瓷基板，本发明的封装结构中芯片与散热底盘内的散热工质之间只有一层粘合剂，经过的界面少，并且散热路径短，热阻低。
39.2、体积小。传统微组装方法模块上下至少三层，导致模块的体积过大。本发明的封
装结构上下只有两层，模块的体积可以做得更小。
40.3、对准精度要求低。传统方法中一个功率芯片只含一个晶体管，体积很小，并且与基板贴合时需要控制多个芯片的相对位置，因此要求很高的对准精度(约
±
0.1μm)。本发明的封装结构中只有一个功率芯片，且体积较大，对对准精度的要求低(约
±
10μm)。
41.4、对贴片时的界面连接技术要求低。传统方法中芯片与基板的键合，为了防止很小的芯片被不平整的粘合剂表面破坏，常采用无压烧结，这使得粘合剂比较蓬松，热阻很大。本发明的封装结构中芯片与散热底盘之间可采用按压键合或压力辅助烧结，因为两者的面积都比较大，容易使得受力均匀，而不担心芯片的损伤。
42.5、规避材料晶格缺陷。晶圆工艺中，晶体管与晶体管之间预留一定距离，而非传统方式的紧密相依，在实际生产过程中，可以通过调整晶体管的位置，来规避半导体材料的晶格缺陷区域。
43.6、简化的散热底盘加工方法。传统的散热底盘为了加工出微管道，需要两层基板，在其中一层加工出微管道后，将两层贴合起来构成一个散热板，并在上方贴合功率模块。本发明的封装结构中，散热板只有一层，在上方刻蚀加工出凹槽后，直接将上方单片集成功率模块与之贴合，并封盖住凹槽的顶部，形成微管道。
44.实施例2
45.与上述实施例1相对应的，本实施例提出了一种单片集成的功率模块的封装结构的制备方法，该方法包括：
46.在碳化硅基板的上表面加工刻蚀出散热凹槽8和进出液口5，制成散热底盘7；
47.然后对准芯片的绝对位置，将单片集成的多管功率芯片1通过粘合剂与散热底盘7粘接，并封盖住散热底盘7上的散热凹槽8；
48.最后使用引线将各晶体管3的端口9与下方的导体粘合剂4电连接。
49.进一步地，如图3所示，图3中左图为现有单管功率芯片的制备，图3中右图为本实施的多管功率芯片的制备，该方法还包括：
50.在进行晶圆11布局设计时，将多晶体管的组合12作为一个整体，而非单独的一个晶体管3，并在组合的内部规划好晶体管3的种类与位置，预留足够的绝缘距离，在切割晶圆11时，不切割单个晶体管3，而是将预设计的多晶体管的组合12整体切割下来，即成为多管功率芯片1。
51.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。