一種功率半導體模塊三維封裝的結構和方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及一種功率半導體模塊的封裝結構和封裝方法，具體地說，是一種 功率模塊的三維封裝結構和封裝方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著絕緣柵雙極型晶體管等電力電子器件的應用越來越廣泛，如電動汽 車上的逆變器、火車上的驅動器、發(fā)動機、以及風力發(fā)電機等。為了實現(xiàn)電力電子器件的高 頻率、高功率密度和高集成化，封裝技術需要大力提升。在傳統(tǒng)上，功率半導體器件多采用 二維封裝，難以完全集成某些器件，如門極驅動器、控制器、無源元件、以及其他傳感器和通 訊電路等。此外，過長的基板線路和鍵合引線會產(chǎn)生寄生電感和寄生電阻，增加線延遲。二 維封裝是平面結構，通常還會產(chǎn)生較大的熱應力，造成撓曲、斷裂或接頭破壞，使芯片失效。
[0003] 在功率模塊的封裝發(fā)展歷程上，三維封裝技術是一個飛躍。在三維封裝中，若干個 功率器件按疊層的方式封裝。每一層的封裝結構都是二維的，在這些二維結構中容納著如 功率芯片、漏源、門極軌道、連接源極和基板的引線焊盤、連接柵極和基板的引線焊盤、以及 連接外部電源總線的端子引線等組件。在三維封裝結構中，在底部基板的上面，有第二層基 板來放置其他器件和芯片。三維封裝面臨的技術難題有：（1)如何將不同疊層互連成三維 封裝；（2)如何有效控制每一層芯片的散熱；（3)如何降低熱膨脹不匹配導致的熱應力。
[0004] 在目前的功率模塊中，芯片互連材料使用較多的是含鉛或無鉛釬料合金，或者是 環(huán)氧樹脂導電膠。然而，這些材料的熱性能和電性能都比較差，不能有效散失芯片產(chǎn)生的熱 量和降低功率損耗。此外，這些材料的連接強度和可靠性也比較差。由于釬料合金的熔點 比較低，環(huán)氧樹脂的分解溫度也比較低，這些材料不適用于SiC或GaN芯片在高溫環(huán)境中的 應用。
[0005] 因此，為了滿足對大功率密度和長壽命的功率器件的需求，發(fā)明一種新的適用于 功率器件電子封裝的結構和方法具有重要意義。

【發(fā)明內容】

[0006] 為了實現(xiàn)電力電子器件的高頻率、高功率密度和高集成化，解決二維封裝結構中 存在的線延遲和熱應力等問題，本發(fā)明提供了一種功率半導體模塊的三維封裝結構和封裝 方法。
[0007] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0008] -種功率模塊的三維封裝結構，包括頂部基板、芯片、底部基板、導熱封裝材料和 連接材料，其特征是在芯片和頂部基板之間設置有一個或多個導電襯墊層。
[0009] 所述襯墊層為波紋金屬板、金屬管、金屬線或金屬棒的一種或組合。
[0010] 所述襯墊層呈蛇形彎曲狀。襯墊材料為鋁、銅、銀、金或上述金屬的合金。
[0011] 在頂部基板與襯墊、底部基板與芯片中間設置有連接材料層。連接材料層為燒結 納米銀。
[0012] 導熱封裝材料為硅、增韌環(huán)氧樹脂、熱固性聚合物、熱塑性聚合物、聚酰亞胺、氟聚 合物、聚合物泡沫、金屬泡沫或金屬與聚合物復合材料。
[0013] 本發(fā)明的功率模塊的三維封裝結構的封裝方法，用連接材料將襯墊固定在芯片與 頂部基板之間，襯墊在芯片和頂部基板的間隙中沿水平方向形成一層，使用導熱封裝材料 將芯片和頂部基板密封。
[0014] 模擬結果表明，在功率模塊的封裝結構中使用金屬襯墊，能夠通過促進散熱降低 功率模塊的溫度和熱應力。
【附圖說明】
[0015] 通過下面的附圖和說明，能夠更容易理解本發(fā)明的特點與優(yōu)勢：
[0016] 圖1是本發(fā)明中一個具體實施例的示意圖，襯墊是一種波紋金屬薄板。
[0017] 圖2是本發(fā)明中另一個具體實施例的示意圖，襯墊是另一種波紋金屬薄板。
[0018] 圖3A、3B和3C舉例說明了用金屬管作為襯墊的情況。
[0019] 圖4A、4B和4C舉例說明了用實心圓柱作為襯墊的情況。
[0020] 圖5A和5B是用橢圓形實心金屬絲作為襯墊的示意圖。
[0021 ] 圖6對比了三種不同電子封裝結構的溫度曲線。
[0022] 圖7A、7B和7C是對應于圖6的三種封裝結構示意圖。
[0023] 其中：頂部基板1，襯墊2,芯片3,底部基板4,導熱封裝材料5,兩層連接材料6。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明提供了一種功率模塊的三維封裝結構，該結構除了包括傳統(tǒng)的頂部基板、 芯片、導熱封裝材料和底部基板之外，還包括位于芯片和頂部基板之間的一個或多個導電 襯墊，以及位于頂部基板與襯墊、底部基板與芯片中間的燒結納米銀連接材料；芯片和頂部 基板之間形成一層間隙，這些襯墊在這個間隙中沿水平方向形成一層。
[0025] 本發(fā)明所述的襯墊，在芯片與頂部基板的間隙中沿水平方向形成一層。襯墊可以 是波紋金屬板、金屬管、金屬線或金屬棒。襯墊一般呈蛇形彎曲狀，在芯片和頂部基板之間 被壓縮成扁平狀。這些襯墊的制作材料可在鋁、銅、銀、金或上述金屬的合金中選擇。本發(fā) 明利用連接材料將襯墊固定，連接材料是燒結納米銀。
[0026] 本發(fā)明所述的功率模塊的封裝結構，還包括導熱封裝材料。導熱封裝材料可以在 硅、增韌環(huán)氧樹脂、熱固性聚合物、熱塑性聚合物、聚酰亞胺、氟聚合物、聚合物泡沫、金屬泡 沫以及金屬與聚合物復合材料中選擇。
[0027] 本發(fā)明所述的功率模塊的封裝方法，首先是得到一個或多個金屬襯墊，然后使用 一種連接材料將上述襯墊固定在芯片與頂部基板之間，最后使用一種導熱封裝材料將芯片 和頂部基板密封。本發(fā)明采用燒結納米銀焊膏將襯墊與頂部基板連接。襯墊在芯片和頂部 基板的間隙中沿水平方向形成一層，其形狀可在波紋金屬板、金屬管、金屬線和金屬棒中選 擇。襯墊層可以是一個波紋金屬，也可以是多個金屬線、金屬管、金屬棒或上述的組合。
[0028] 下面結合附圖對本發(fā)明做具體說明：
[0029] 實施例1 :
[0030] 在實施例中，純銀管（例如外徑I. 6_，內徑1.0 mm)被切成一定長度，然后通過熱 壓機進行壓制，使銀管的橫截面變成橢圓形。銀管的橫截面在一個方向上被拉長了，即長軸 方向，在垂直于拉長方向的方向上被縮短了，即短軸方向。假設銀管的長軸為D1，短軸為D2， D2大于0。01:02的值可在100 :1到1.5 :1范圍內變化，優(yōu)選范圍在50 :1到2 :1之間，最優(yōu) 選范圍在10 :1到2 :1之間。最后，被壓扁的銀管用1 :3的硝酸溶液浸蝕1分鐘。
[0031] 利用燒結納米銀焊膏（美國弗吉尼亞州黒堡市NBE科技有限公司提供）作為連接 材料，扁平銀管能與頂部的鍍銀基板沿長軸與基板表面平行的方向連接。該焊膏中的銀顆 粒粒徑為< 500nm或< 100nm。納米銀顆粒在低于275°C的溫度下進行燒結，可以將銀管和 頂部基板連接在一起。在芯片與底部基板連接好以后，同樣地，利用燒結納米銀焊膏將銀管 與芯片的另一面連接在一起。在這種情況下，芯片的上表面與扁平銀管相連。連接好以后， 銀管便夾在了頂部基板和芯片之間。最終所得到的結構是一種雙面連接的模塊，該模塊具 有導電的、能進行伸縮的彈性截面。
[0032] 圖1是本發(fā)明的一種具體實施例的示意圖。在這種實施例中，有一個頂部基板1， 一個用作襯墊的波紋金屬薄板2, 一層導熱封裝材料5,兩層連接材料6,以及一個貼裝在底 部基板4上的芯片3。波紋金屬薄板2被制作成褶皺的形狀。周期長度為p，凹槽的深度為 h。p和h可以通過壓力卡具進行調節(jié)。周期長度p可以是均勻的，也可以是不均勻的，目的 是盡可能的增加金屬薄板2和芯片3之間的接觸面積。如圖1所示，波紋金屬薄板2的一 面與底部基板4相連，另一面與芯片3相連。
[0033] 在圖1所示的實施例中，波紋金屬薄板與頂部基板的間隙，以及波紋金屬薄板與 芯片的間隙，都被導熱封裝材料5所填